Реферати

Реферат: Нанотехнології і нанороботи

Екстаз. Екстатичний секс - це такий рівень сексуального досвіду, що вже лежить за межами порушення, за межами задоволення від оргазму і не залежить від вашої взаємності і ступеня близькості.

Кількісна оцінка ризику аварій на об'єктах збереження нафтопродуктів. Аналіз можливих сценаріїв розвитку аварій. Оцінка імовірності виникнення аварій. Розрахунок показників ризику.

Контрольна рабоат по Гроші, кредит , банки. Зміст Функції кредиту. Розрахунки платіжними дорученнями, порядок і умови їхнього застосування. Керування активами і пасивами банків. Література Функції кредиту

Програма удосконалювання системи мотивації на ОАО Нижнекамскнефтехим. ЗМІСТ Уведення 1. Теоретичні аспекти мотивації діяльності в менеджменті 1.1 Мотивація як спонукання до дії 1.2 Ефективність мотивації

Вплив на поводження покупця з метою збільшення обсяг продажів і прибутку. МІНІСТЕРСТВО ВИЩОГО УТВОРЕННЯ Р. Ф. ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Курсова робота з Маркетингу На тему: "Вплив на поводження покупця з метою збільшення обсяг продажів і прибутку"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Донбасський державний технічний університет

Кафедра АЕМС

На тему:

«Нанотехнології і нанороботи»

Алчевськ 2008

Зміст

Введення. 3

1. Історія розвитку нанотехнології в датах. 4

2. Нанотехнологиї. 9

3. Нанороботи.. 12

4. Перспективи розвитку нанороботов. 15

Висновок. 22

Посилання. 23

Введення

Нанотехнологиї є дуже перспективними, але поки не розвиненими в повній мірі. Нанотехноло́ гия - міждисциплінарна область фундаментальної і прикладної науки і техніки, що має справу з сукупністю теоретичного обгрунтування, практичних методів дослідження, аналізу і синтезу, а також методів виробництва і застосування продуктів із заданою атомарною структурою шляхом контрольованого маніпулювання окремими атомами і молекулами.

Нанороботи, або нанобо́ ти - роботи, створені з наноматериалов і розміром порівнянні з молекулою, володіючі функціями рухи, обробки і передачі інформації, виконання програм. Нанороботи, здібні до створення своїх копій, т. е. самовоспроизводству, називаються репликаторами. Можливість створення нанороботов розглянув в своїй книзі «Машини створення» американський вчений Ерік Дрекслер. У цей час вже створені електромеханические наноустройства, обмежено здібні до пересування, які можна вважати прототипами нанороботов.

У даній науково-дослідній роботі розглядається історія виникнення нанотехнології, загальний принцип дії, а також шляху розвитку в майбутньому.

1. Історія розвитку нанотехнології в датах

Один нанометр (від грецького «нано» - карлик) рівний одній мільярдній частині метра. На цій відстані можна впритул розташувати приблизно 10 атомів. Мабуть, першим вченим, що використав цю одиницю вимірювання, був Альберт Ейнштейн, який в 1905 р. теоретично довів, що розмір молекули цукру рівний одному нанометру.

Але тільки через 26 років німецькі фізики Ернст Руська, що отримав Нобелівську премію в 1986 р., і Макс Кнолл створили електронний мікроскоп, що забезпечує 15-кратне збільшення (менше, ніж тоді оптичні мікроскопи, що існували ), він і став прообразом нового покоління подібних пристроїв, що дозволили заглянути в наномир.

У 1932 р. голландський професор Фріц Цернике, Нобелівський лауреат 1953 р., винайшов фазовий-констрастний мікроскоп - варіант оптичного мікроскопа, що поліпшував якість показу деталей зображення, і досліджував з його допомогою живі клітки (раніше для цього доводилося застосовувати барвники, що вбивали живі тканини).

Цікаво, що Цернике пропонував свій винахід фірмі «Цейс», але менеджери не усвідомили його перспективності, хоч сьогодні такі мікроскопи активно застосовуються в медицині.

У 1939 р. компанія Siemens, в якій працював Руська, випустила перший комерційний електронний мікроскоп з дозволяючою здатністю 10 нм.

Вдень народження нанотехнологий вважається 29 грудня 1959 р. Професор Каліфорнійського технологічного інституту Річард Фейнман (Нобелівський лауреат 1965 р.) в своїй лекції «Як багато місця там, внизу» («There's plenty of room at the bottom»), прочитаної перед Американським фізичним суспільством, відмітив можливість використання атомів як будівельні частинки.

1966 р. Американський фізик Розсадив Янг, що працював в Національному бюро стандартів, вигадав пьезодвигатель, вживаний сьогодні в скануючих тунельних мікроскопах і для позиціонування наноинструментов з точністю до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 А°).

1968 р. Виконавчий віце-президент компанії Bell Альфред Чо і співробітник її відділення по дослідженнях напівпровідників Джон Артур обгрунтували теоретичну можливість використання нанотехнологий в рішенні задач обробки поверхонь і досягнення атомної точності при створенні електронних приладів

1971 р. Розсадив Янг висунув ідею приладу Topografiner, що послужив прообразом зондового мікроскопа. Так тривалі терміни розробки подібних пристроїв пояснюються тим, що спостереження за атомарними структурами приводить до зміни їх стану, тому були потрібен якісно нові підходи, що не руйнують досліджувану речовину.

Правда, невдовзі роботи над Topografiner були припинені, і визнання до Янгу прийшло тільки в 1979 р., після чого він отримав безліч нагород.

1974 р. Японський фізик Норіо Танігучи, що працював в Токийськом університеті, запропонував термін «нанотехнологии» (процес розділення, зборки і зміни матеріалів шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою), що швидко завоював популярність в наукових колах.

1982 р. У Цюріхськом дослідницькому центрі IBM фізики Герд Бінніг і Генріха Рорер (Нобелівські лауреати 1986 р. разом з Ернстом Руської) створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), що дозволяє будувати трьохмірну картину розташування атомів на поверхнях провідних матеріалів.

СТМ діяв за принципом, схожим із закладеним в Topografiner, але швейцарці створили його незалежно від Янга, добившись значно більшої дозволяючої здатності і розпізнавши окремі атоми в кальцієво-іридієво-олов'яних кристалах.

Головною проблемою в дослідженні були фонові перешкоди - вістря мікроскопа, що позиціонувалося з точністю до часткою атома, збивалося від найменших шумів і вібрацій на вулиці.

1985 р. Троє американських хіміків: професор Райсського університету Річард Смеллі, а також Роберт Карл і Херольд Крото (Нобелівські лауреати 1996 р.) відкрили фуллерени - молекули, що складаються з 60 атомів вуглеводу, розташованих в формі сфери. Ці вчені також уперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.

1986 р. Герд Бінніг розробив скануючий атомно-силовий зондовий мікроскоп, що дозволив нарешті візуалізувати атоми будь-яких матеріалів (не тільки провідних), а також маніпулювати ними.

1986 р. Американський вчений Ерік Дрекслер, що працював в лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного інституту, написав книгу «Машини творення» («Engines of Creation»), в якій висунув концепцію універсальних молекулярних роботів, працюючих по заданій програмі і що збирають що бажано (в тому числі і собі подібних) з підручних молекул.

Ця ідея була, видимо, навіяна Дрекслеру його основною діяльністю - в задачах штучного інтелекту ідея самовоспроизводящихся пристроїв зустрічається постійно.

Вчений вже тоді досить точно передбачив немало грядущих досягнень нанотехнологий, і починаючи з 1989 р. його прогнози збуваються, причому нерідко зі значним випередженням термінів.

1987-1988 рр. У НДІ «Дельта» під керівництвом П. Н. Луськиновича запрацювала перша російська нанотехнологическая установка, що здійснювала направлений відхід частинок з вістря зонда мікроскопа під впливом нагріву.

1989 р. Вчені Дональд Ейглер і Ерхард Швецер з Каліфорнійського наукового центра IBM зуміли викласти 35 атомами ксенону на кристалі нікеля назва своєї компанії.

Для першого в світі цільового перенесення окремих атомів в нове місце вони використали СТМ виробництва IBM. Правда, такий напис проіснував недовго - атоми швидко розбіглися з поверхні.

Але сам факт наявності стороннього атома в молекулярній структурі деякої речовини відкривав потенційну можливість створення молекулярних автоматів, що трактують наявність або відсутність такого атома в деякій позиції як логічний стан.

1991 р. Японський професор Суміо Ліджіма, що працював в компанії NEC, використав фуллерени для створення вуглецевих трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм. На їх основі в наш час випускаються матеріали в сто разів міцніше стали. Залишалося навчитися робити такі трубки як можна більш довгими - їх розміри виявилися прямо пов'язані з міцністю речовин, що виготовляються. Крім того, відкрилася можливість збирати з нанотрубокразличние наномеханизми із зацепами і шестеренками.

Компьютерщик Уоррен Робінет і хімік Стен Уїльямс, співробітники університету Північної Кароліни, виготували наноманипулятор - робот розміром з людини, зістикувати з атомним мікроскопом і керований через інтерфейс віртуальної реальності.

Оператор, маніпулюючи окремими атомами, з його допомогою міг фізично відчувати багато разів посилену віддачу від речовини, що модифікується, що значно прискорювало роботу.

Намагатися робити прикладні наноустройства без такого комплексу до того часу було немислимо.

1991 р. У США запрацювала перша нанотехнологическая програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю турбувалося і уряд Японії. А ось в Європі серйозна підтримка таких досліджень на державному рівні почалася тільки з 1997 р.

1997 р. Ерик Дрекслер оголосив, що до 2020 р. стане можливою промислова зборка наноустройств з окремих атомів. До цього часу майже всі його прогнози збувалися з випередженням.

1998 р. Сизий Деккер, голландський професор Технічного університету м. Делфтса, створив транзистор на основі нанотрубок, використовуючи їх як молекули. Для цього йому довелося першим в світі виміряти електричну провідність такої молекули.

З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.

У Японії запущена програма «Astroboy» по розвитку наноелектроники, здатної працювати в умовах космічного холоду і при жарі в тисячі градусів.

1999 р. Американські вчені - професор фізики Марк Рід (Йельский університет) і професор хімії Джеймс Тур (Райсский університет) - розробили єдині принципи маніпуляції як однією молекулою, так і їх ланцюжком.

2000 р. Німецький фізик Франц Гиссибл роздивився в кремній субатомние частинки. Його колега Роберт Магерле запропонував технологію нанотомографії - створення трьохмірної картини внутрішньої будови речовини з дозволом 100 нм. Проект фінансувала компанія Volkswagen.

Уряд США відкрив Національну нанотехнологическую ініціативу (NNI). У бюджеті США на цей напрям виділене 270 млн. долл., комерційні компанії вклали в нього в 10 раз більше.

2001 р. Реальне фінансування NNI перевищило заплановане (422 млн. долл.) на 42 млн.

2002 р. Сизий Деккер з'єднав вуглецеву трубку з ДНК, отримавши єдиний наномеханизм. Фінансування NNI становило 697 млн. долл. (на 97 млн. більше плану).

2003 р. Професор Фенг Ллю з університету Юти, використовуючи напрацювання Франца Гиссибла, за допомогою атомного мікроскопа побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їх обурення при русі навколо ядра.

На NNI відпущене 770 млн. долл. У бюджеті NNI 2004 р. закладена сума 849 млн. долл.

2. Нанотехнологии

Нанотехнологиї- це технології роботи з речовиною на рівні окремих атомів. Традиційні методи виробництва працюють з порціями речовини, що складаються з мільярдів і більше за атоми. Це означає, що навіть самі точні прилади, зроблені людиною досі, на атомарному рівні виглядають як безладна мішанина. Перехід від маніпуляції з речовиною до маніпуляції окремими атомами - це якісний стрибок, що забезпечує безпрецедентну точність і ефективність.

Нанотехнології звичайно ділять на три напрями:

- виготовлення електронних схем, елементи яких складаються з декількох атомів

- створення наномашин, тобто механізмів і роботів розміром з молекулу

- безпосередня маніпуляція атомами і молекулами і зборка з них чого завгодно.

Часто уживане визначення нанотехнології як комплексу методів роботи з об'єктами розміром менше за 100 нанометров недостатньо точно описує як об'єкт, так і відмінність нанотехнології від традиційних технологій і наукових дисциплін. Об'єкти нанотехнологий, з одного боку, можуть мати характеристичні розміри вказаного діапазону:

- наночастици, нанопорошки (об'єкти, у яких три характеристичних розміри знаходяться в діапазоні до 100 нм).

- нанотрубки, нановолокна (об'єкти, у яких два характеристичних розміри знаходяться в діапазоні до 100 нм).

- нанопленки (об'єкти, у яких один характеристичний розмір знаходиться в діапазоні до 100 нм).

З іншого боку, об'єктом нанотехнологий можуть бути макроскопічні об'єкти, атомарна структура яких контрольоване створюється з дозволом на рівні окремих атомів.

Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки на таких масштабах звичні, макроскопічні, технології поводження з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості і взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул, квантові ефекти.

У практичному аспекті це технології виробництва пристроїв і їх компонентів, необхідної для створення, обробки і маніпуляцій атомами, молекулами і частинками, розміри яких знаходяться в межах від 1 до 100 нанометров. Однак, нанотехнология зараз перебуває в початковій стадії розвитку, оскільки основні відкриття, що передбачаються в цій області, поки не зроблені. Проте, дослідження, що проводяться вже дають практичні результати. Використання в нанотехнології передових наукових результатів дозволяє відносити її до високих технологій.

При роботі з такими малими розмірами виявляються квантові ефекти і ефекти міжмолекулярних взаємодій, такі як Ван-дер-Ваальсови взаємодії. Нанотехнология і, особливо, молекулярна технологія - нові області, дуже мало досліджені. Розвиток сучасної електроніки йде по шляху зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва підходять до свого природного економічного і технологічного бар'єра, коли розмір пристрою меншає не набагато, зате економічні витрати зростають експонентно. Нанотехнология - наступний логічний крок розвитку електроніки і інших наукоемких виробництв.

3. Нанороботи

Нанороботи (в англомовній літературі також використовуються терміни «наноботи», «наноиди», «нанити») - роботи, створені з наноматериалов і розміром порівнянні з молекулою. Вони повинні володіти функціями руху, обробки і передач інформації, виконання програм. Розміри нанороботов не перевищують декількох нанометров. Згідно з сучасними теоріями, нанороботи повинні уміти здійснювати двосторонню комунікацію: реагувати на акустичні сигнали і бути в стані подзаряжаться або перепрограммироваться ззовні за допомогою звукових або електричних коливань. Також важливої представляються функції реплікації - самосборки нових нанитов і програмованого самознищення, коли середа роботи, наприклад, людське тіло, більш не потребує присутності в ньому нанороботов. У останньому випадку роботи повинні розпадатися на нешкідливі і бистровиводимие компоненти.

Немало нанотехнологических пристроїв вже створене і хоч вони поки є експериментальними розробками, практичні перспективи очевидні. Розроблений наноелектродвигатель, що має обмотку з однією довжиною молекули, здатною без втрат передавати струм. При подачі напруження починав обертатися ротор, що складається з декількох молекул. Існує також пристрій лінійного транспортування, здатне переміщувати молекули на задану відстань. Розробляються також молекулярні биосенсори, антени, маніпулятори.

Сфера застосування нанороботов дуже широка. По суті, вони можуть бути необхідні при створенні, відладці і підтримці функціонування будь-якої складної системи. Наномашини можуть застосовуватися в електроніці для створення миниустройств або електричних ланцюгів - дана технологія називається молекулярної наносборкой. У перспективі будь-яка зборка на заводі з компонентів може бути замінена простою зборкою з атомів.

Однак на перше місце зараз вийшло питання застосування нанороботов в медицині. Тіло людини як би наштовхує на думку об нанороботах, оскільки саме містить безліч природних наномеханизмов: безліч нейтрофилов, лимфоцитов і білих кліток крові постійно функціонують в організмі, відновлюючи пошкоджені тканини, знищуючи мікроорганізми, що вторглися і видаляючи сторонні частинки з різних органів. Шляхом звичайної ін'єкції нанороботи можуть бути вприснені в кров або лімфу. Для зовнішнього застосування розчин з цими роботами може бути нанесений на дільницю тканини. Одним з розроблених напрямів є транспортування ліків до уражених клітками. При звичайному введенні ліків лише одна молекула з ста тисяч досягає мети, в той час як наноустройство в білковій оболонці збільшує ефективність на два порядки, в перспективі не буде пізнаватися фагоцитами як «чужої» і після виконання функції розпадається на нешкідливі компоненти. Такі нанороботи можуть бути ефективними, наприклад, при медикаментозному лікуванні ракових пухлин.

Нанороботи можу робити буквально все: діагностувати стану будь-яких органів і процесів, втручатися в ці процеси, доставляти ліки, з'єднувати і руйнувати тканини, синтезувати нові. Фактично, нанороботи можуть постійно омолоджувати людину, реплицируя всі його тканини. На даному етапі вченими розроблена складна програма, що моделює проектування і поведінку нанороботов в організмі. Надзвичайно детально розроблені аспекти маневрування в артеріальному середовищі, пошуку білків за допомогою датчиків. Вчені провели віртуальні дослідження нанороботов для лікування діабету, дослідження брюшной порожнини, аневризми мозку, рака, биозащити від отруйних речовин.

Логічно задати питання - коли ж нанороботи прийдуть в наш мир, стануть такою ж повсякденністю, як персональні комп'ютери і інтернет. По прогнозах вчених, повік нанороботов вже не за горами.

Існуючі прототипи двигуна, процесора, захвата будуть зібрані в єдиний пристрій, і епоха нанороботов наступить до 2015 року. Всі названі перспективи можуть здійснитися, наномашини будуть спроможний відтворювати будь-які предмети з атомів, зможуть омолоджувати людину, стануть штучними виробниками їжі, заповнять навколоземний простір і зроблять придатними для людини планети і їх місяця.

Існують, однак, і побоювання з приводу наномеханики. Так, згадана вище книга «Машини Творення» повествует про збій в програмі роботів, внаслідок чого вони перетворюють всю землю в місиво з самих себе. Читач також може пригадати «Непереможний» Станіслава Лема, в якому крихітні роботи, спадщина цивілізації Ліри, будучи примітивними механізмами, об'єднуються мільйонами, утворюючи мислячі конструкції, готові знищити людини з бездушшям механізму щоб потім знов зануритися в тисячолітній стазис.

Дані погляди не є прерогативою фантастів, їх підтримує ряд вчених, яких в пресі іноді називають наноапокалиптиками. Професор Євген Абрамян в своїй статті «Загрози нових технологій» малює ситуацію, при якій роботи, призначені для розбирання на атоми відходів, почнуть розбирати внаслідок збою і все інше. При цьому такі машини будуть самореплицироваться. Крім того, як відмічає вчений, ці микромашини можуть стати основою для нових, ще більше за жахливі, ніж сучасні, кошти ведіння війни.

Так чи інакше, крок до створення нанороботов вже зроблений і ми в черговий раз стикаємося з питанням постановки формулювання: чи міняють наші нововведення наше ж життя, або ми самі її міняємо. Чи Зможемо ми створити на основі наномеханики мир, вільний від голоду, потреби і при цьому маючий потенціал до розвитку, або дорога з жовтого нанокирпича приведе нас до хаосу нових воєн буде залежати від нас самих, але ясне одне: мир міняється і ми стрімко міняємося разом з ним.

4. Перспективи розвитку нанороботов

В ході історії люди завжди тільки тим і займалися, що намагалися упорядковувати атоми з метою отримання структур із заданими властивостями. Весь розвиток техніки, по суті, зводиться до постійного зменшення частинок речовини, з якими можна працювати. Первісні люди обтісували камені, відколюючи шматочки, вмісні нескінченне число атомів. Пізніше з'явилися більш тонкі інструменти, що дозволяли оперувати значно меншою кількістю атомів, але рахунок все одно йшов на квадриллиони. У двадцятому віці освоїли технології створення тонких плівок. Напиляемие шари складалися з декількох молекул.

Ідеальний варіант - маніпулювання окремими атомами. Розташувавши їх певним чином, можна було б створювати структури з будь-якими заданими властивостями. На сьогоднішній день така задача не відноситься до області фантастики. Вже приблизно двадцять років, як хіміки навчилися збирати структури поатомно. Спочатку така операція представлялася проблематичною, але, розуміючи все значення нової області науки, вчені знайшли різні методи її виконання. Це нанотехнології - принципово нові технології, по суті, переддень чергової інтелектуальної революції. Елементарною структурною одиницею, з якою вони працюють, є окремі атоми, що мають розміри порядку десятих часткою нанометра, - звідси і їх назва.

Але як можна оперувати окремими атомами? Відповіддю на дане питання є ми самі. Адже всередині кожного з нас - велика кількість різноманітних білків, ферментів і гормонів, а займаються вони саме тим, що вибірково розбирають або збирають ті або інакші молекули. Відмінність від нанотехнологий, звісно, є: перераховані хімічні сполуки оперують групами атомів, і для роботи з окремими атомами не пристосовані.

Маніпулювання атомами стало можливим після появи так званого скануючого електронного мікроскопа з тунельним ефектом. Він міг переміщувати окремі атоми за допомогою спеціальних електромагнітних полів. Принципова дорога в мир нанотехнологий виявилася відкритою, і вчені не преминули нею скористатися. Укладаючи атоми вуглеводу в певній послідовності, вони отримали у восьмидесятих роках першу перемогу: зібрали з них дві шестеренки, що сидять на валах і вільно на них що обертаються. Ці шестеренки мали розмір порядку декількох нанометров. Як тільки з'ясувалося, що таким чином можна побудувати працюючий механізм, почався бурхливий розвиток нанотехнологий. І вже через декілька років вдалося побудувати перший наноелектродвигатель. У ньому використовувалася здатність деяких довгих органічних молекул передавати електричний струм практично без втрат. Мотор працював: коли на «обмотку», що являє собою одну «довгу» молекулу, подавали напруження, ротор, що перебуває усього з декількох молекул, починав обертатися. Шлях до наноманипулятору був відкритий. З його створенням люди перестануть потребувати громіздких електронних мікроскопів - переставляти атоми можна буде за допомогою самого маніпулятора. Що впритул наблизить вчених до кінцевої мети.

Яка ж ця мета? Судячи по витратах на дослідження, їх результати повинні бути справді грандіозними: деяка чарівна паличка, вирішальна якщо не все, то принаймні дуже багато які проблеми, що стоять перед людством. Пошуки покликані привести до появи універсального інструмента - наноробота, здатного маніпулювати окремими атомами, просто «захоплюючи» їх і розставляючи в потрібних місцях. Таким чином, можна буде створювати структури будь-якої складності з необхідними властивостями. Треба тільки писати відповідні програми.

Нанотехнології відкривають величезні перспективи. Вони дозволять створювати сверхчистие матеріали, які не можна отримати іншими способами. Якщо будь-кому для виконання унікального експерименту буде потрібний алмаз, що перевищує по величині славнозвісний Кохинор, створення його не проблема. Так і не тільки для розставляння атомів пригодяться нанороботи. Вони і самі є сверхточним інструментом. З їх допомогою можна конструювати нові нанороботи, істотно здешевлюючи виробництво. А недорогим нанороботам вже під силу складати з атомів і унікальні вироби, і предмети повсякденного користування.

Після створення розвиненої інфраструктури нанороботов необхідність у величезних заводах відпаде. Уявіть собі пристрій величиною з холодильник, забезпечене комп'ютером. Всередині будуть знаходитися ємність з різними хімічними елементами і колонія нанороботов. Допустимо, ви захотіли почистити зуби. Віддаєте команду комп'ютеру - і той активує програму зборки зубної щітки. Нанороботи починають ловити атоми в розчині і розставляти їх по місцях. Через деякий час щітка готова, причому, якщо побажаєте, вже із зубною пастою. Після гігієнічної процедури кладете її зворотно в ємність, де вона розкладається на початкові атоми. Таким чином, вартість виробу значно меншає, оскільки треба платити лише за електрику і сам прилад. Крім того, речі не будуть нагромаджуватися, захаращуючи квартиру.

Не менш грандіозні перспективи відкриваються і перед медициною - людство отримає ліки від всіх існуючих хвороб, і не тільки вірусного і бактерійного походження, але і генетичного. Нанороботи зможуть проникати в клітки організму і виправляти всі пошкодження на молекулярному рівні - т. е. зубна щітка не знадобиться зовсім. І нарешті, припиниться подальше забруднення навколишнього середовища, адже нова технологія, по суті, безотходна.

Однак щоб досягнути всього цього, треба відповісти на безліч питань. Так, наприклад, ніхто поки не знає, які розміри повинні мати механічні частини роботів і як зробити так, щоб вони відповідали певним вимогам.

Дану проблему можна вирішити експериментально. Передбачимо, нам треба знати, яку товщину повинна мати «рука» наноробота. Ми могли б просто створити дослідний зразок і подивитися, зламається вона чи ні. Якщо зламається, то зробити «руку» товще, і т. д. Але у цього методу є серйозний недолік. Зараз нанообъекти доводиться створювати макрометодами, що дуже дорого, трудомістко і довго. Щоб перебрати багато варіантів і вибрати найкращий, можливо, не хватити і життя. Тому треба шукати інші шляхи.

Отже, нам треба знати характеристики маніпулятора, по суті що являє собою одну гігантську молекулу. Властивості будь-якої молекули повністю визначаються міцністю хімічних зв'язків між атомами, з яких вона складається. А як відомо, хімічний зв'язок - не що інакше, як взаємодія електронів і ядер атомів. Щоб визначити ці зв'язки, ми повинні знати імовірність перебування електронів в конкретному місці в певний час. Якщо імовірність того, що електрон знаходиться між ядрами атомів велика, то зв'язок міцний. Чим нижче імовірність цього, тим слабіше зв'язок.

Проблема була вирішена на початку XX сторіччя. Австрійський дослідник Шредінгер створив рівняння, що дозволяє взнати всі властивості хімічної сполуки, навіть не отримавши його на практиці. У рівнянні враховані всі сили, які впливають на електрон. Вчений вирішив його для найпростішого випадку - атома водня - і набув точно таких же значень, як і на практиці. Проблема опису зв'язків зникла, але виникла нова - як вирішити саме рівняння Шредінгера. Подумаєш, рівняння - покажеться комусь. Однак не варто недооцінювати проблему. Адже отримати результат типу «ікс одинаково» вдається не так уже часто. І чим точніше рівняння описує реальний мир, тим менше імовірність, що воно вирішується на папері. Що ж робити? Треба або спрощувати рівняння, або обчислювати його наближеними методами, а частіше за все доводиться робити і те і інше. Рівняння Шредінгера добре спрощується для кристалів, в яких атоми розміщені суворо у вузлах гратки. А межі кристала, де регулярна структура обривається, розташовані відносно далеко, і їх впливом можна просто нехтувати. Саме такий підхід дозволив взнати властивості напівпровідників, що в кінцевому результаті привело до створення сучасних інтегральних схем. Для маніпуляторів нанороботов все йде інакше. Атомів так мало, що всі вони є граничними, і вирішувати рівняння в спрощеному вигляді безглуздо. Доводиться шукати точне рішення. З іншого боку, атомів так багато, що знайти точне рішення неймовірно складно. Для самого простого випадку - молекули водня, що складається з двох атомів, рішення рівняння Шредінгера не складає проблеми. Але чим складніше молекула, тим довше за його вважати.

Серед самих поширених наноустройств на сьогоднішній день - нанотрубки. Вони грають різні ролі: від молекулярних фільтрів, діючих як звичайні сита, і до трьохмірних шестеренок, без яких важко уявити собі який-небудь механізм. Нанотрубки на малюнку майже цілком складаються з вуглеводу, а точніше із замкнених графітових шарів. Зверніть увагу на виступи по боках трубок: саме вони виконують функції зубьев, що перетворюють нанотрубки в шестерні.

Ще років двадцять назад поняття складності алгоритму було відомо абсолютно всім. Коли об'єм обчислень лінійно залежить від об'єму вхідних даних, говорять про лінійну складність. Це ідеал, мрія програміста. Якщо залежність статечна, справа йде гірше, але терпима. Але якщо кількість даних є показником міри - це вирок алгоритму. Експонентна складність - майже та ж, що і відсутність рішення задачі.

Йшли роки, перед програмістами виникли нові проблеми, і основна увага була приділена ім. Зрозуміло, постійне зростання продуктивності комп'ютерів і багаторазове зменшення їх вартості дозволили змиритися з наявністю неефективних алгоритмів. Однак такі «тепличні» умови не вічні. Варто з'явитися задачі, що вимагає великого об'єму обчислень, і проблеми складності знов стають гранично актуальними.

Однією з таких задач стало визначення властивостей, якими повинні володіти наноустройства. Згідно із законом Мерфі, якщо прикрість може статися, вона обов'язково станеться. Відповідно повному до цієї сентенції алгоритм рішення рівняння Шредінгера має експонентну складність. Властивості молекули водня обчислюються за частки секунди. Але на розрахунок міцності зв'язків у воді йде декілька хвилин, а в метані - вже біля години. З ускладненням молекули справи йдуть всі гірше. Нічого не поробиш, при збільшенні числа зв'язків на одиницю потрібно в тисячі разів більше ресурсів. Одним словом, визначити властивості молекули з декількома десятками зв'язків вже малореально.

Вчені вдалися до численних спрощень, аж до того, що молекулу представляли у вигляді сукупності кульок-атомів, сполучених між собою пружинками. Якщо вийти з сказаного, то все просто, і навіть сверхгигантские молекули «вважаються» швидко. Але ось результат таких розрахунків відрізняється від практичного на порядки. Атоми не кульки, що ще Бор показав. Отже, залишається постійно шукати компроміс між складністю молекули і точністю розрахунків. А компроміс цей так близький до нуля, що рано думати про створення реальних маніпуляторів.

Тому потрібні обхідні шляхи. Де вони, ніхто не може передбачити. Але досвід рішення, на перший погляд, безнадійних задач вже є. Наприклад, класична задача комівояжера також має експонентну складність. Однак, створивши новий тип самоорганизующейся системи, Хопфілд зміг реалізувати алгоритм її рішення з полиномиальной складністю. Проте, за економію ресурсів довелося платити. Лише половина рішень є оптимальною, тому, використовуючи систему Хопфілда, ніколи не можна сказати напевно, що задача вирішена. Але, як відомо, стопроцентную гарантію дає тільки страховий поліс, а мати 99%-ю упевненість в решаемости задачі, яка раніше не вважалася такою, - зовсім непогано.

Для наноустройств системи, подібній системі Хопфілда, поки не існує, але будемо сподіватися, що це «поки» не затягнеться дуже надовго.

Висновок

У ході виконання даної НИРС мною були пророблено безліч статей, присвячених питанням нанотехнології. Також була прочитана повість Станіслава Лема «Непереможний» і переглянені видеоролики, освітлюючі роботу нанороботов в різних сферах діяльності. Після проробленої роботи я дійшов наступних висновків:

Завдяки стрімкому прогресу в таких технологіях, як оптика, нанолитография, механохимия і 3D прототипирование, нанореволюция може статися вже протягом наступного десятиріччя. Коли це трапиться, нанотехнология вплине величезний чином практично на всі області промисловості і суспільства.

Людство отримає виключно комфортне середовище мешкання, в якому не буде місця ні голоду, ні хворобам, ні виснажливому фізичному труду. А в перспективі нас чекає виникнення «розумного середовища мешкання» (т. е. природи, що стала безпосередньою продуктивною силою). Нанокомпьютери і наномашини заповнять собою все навколишній простір: вони будуть знаходитися між молекулами повітря, бути присутній в кожному предметі, в кожній клітці людського організму. Весь навколишній світ перетвориться в один гігантський комп'ютер або, що, мабуть, буде вірніше, людство зллється з навколишнім світом в єдиний розумний організм.

Посилання

1. http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/data/innanorobots.ru

3. cooler-online.com

4. membrana.ru

5. nanonewsnet.ru

6. ibtechno.com

7. r0b.biz

8. nanoenot.pisem.net

9. nanodigest.ru