Файл в формате PPT (4,7 МB)

Лекционный курс
«Физические основы
измерений»
Раздел
ОСНОВЫ НЕФТЕГАЗОВЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Тема
МЕСТО «НАНО» В ПРИРОДНЫХ МАСШТАБАХ.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ
ИДЕИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ.
1
МЕСТО «НАНО»
В ПРИРОДНЫХ МАСШТАБАХ
( ОТ БОЛЬШОГО – К МАЛОМУ )
2
На масштабе 1010 световых лет (1026 метров)
• Это – предел
известной Вселенной.
Либо мы ничего не видим за этим
пределом, либо там и нет ничего.
3
На масштабе 100 000 световых лет (1021 метров)
• Структура нашей
спиральной галактики
– Млечного Пути.
4
На масштабе 1 Петаметр (1 Пм = 1015 метров)
• Наше Солнце видно
как рядовая звезда
Млечного Пути.
• На эти масштабы
выходят самые
протяженные орбиты
комет солнечной
системы.
5
На масштабе 1 Гигаметр (1 Гм = 109 метров)
• За пределами орбиты
Луны Земля видна
лишь как яркое
пятнышко на фоне
космической тьмы.
6
На масштабе 100 000 км (108 метров)
• Такой Землю с орбиты
вблизи поверхности
Луны увидел экипаж
Аполлона 8 (Lovell,
Borman and Anders) 24
декабря 1968 года .
7
На масштабе 10 000 км (107 метров)
• Вид с орбитального
спутника облачного
покрова над Северной
Америкой.
8
На масштабе 1 000 км (106 метров)
• Озеро Мичиган, на
берегу которого
расположен город
Чикаго.
• Фото получено
американскими
космонавтами с борта
орбитальной станции
Skylab, запущенной 14
мая 1973 г.
9
На масштабе 100 км (105 метров)
• Город Чикаго и часть
берега озера Мичиган
10
На масштабе 10 км (104 метров)
• Центральные районы
Чикаго. Хорошо видны
отдельные улицы и
портовые сооружения.
11
На масштабе 1 км (103 метров)
• На протяжении 1 км
расположены футбольный
стадион и гавань для яхт.
• До последнего времени предел разрешения
изображений, получаемых
с орбитальных спутников.
12
На масштабе 100 м (102 метров)
• Уголок зоны отдыха
(съемка с вертолета).
13
На масштабе 10 м (101 метров)
• Семейный пикник.
14
На масштабе 1 метр
• Один метр – средний
размер торса человека
15
На масштабе 10 см = 100 мм (10-1 метров)
• 10 см – ширина кисти
руки взрослого человека.
16
На масштабе 1 см = 10 мм (10-2 метров)
• Сетчатая структура
человеческой кожи.
17
На масштабе 1 мм (10-3 метров)
• Виды отдельные клетки
на складках кожи.
18
На масштабе 100 микрон (10-4 метров)
• Полупрозрачные клетки
кожи (фото с помощью
оптического микроскопа
при увеличении 100x).
19
На масштабе 10 нанометров (10-8 метров = 100 Å)
• Двойная спираль
молекулы ДНК в
хромосоме человека.
• Увеличение 1 000 000x –
вблизи предела
электронной
микроскопии.
20
На масштабе 1 нанометр (10-9 метров = 10 Å)
• Молекулярная структура
ДНК. Видно взаимное
расположение
разнообразных атомов.
• Увеличение 10Mx,
ставшее доступным после
создания атомно-силовых
микроскопов.
21
На масштабе 100 пикометров (10-10 метров = 1 Å)
• Схематическое
изображение плотности
вероятности обнаружения
электронов (электронного
облака) атома углерода
22
На масштабе 1 пикометр (10-12 метров)
• Уже можно различить
«сердце» атома углерода
– атомное ядро.
23
На масштабе 1 ферми (фемтометр)
(1 фм = 10-15 метров)
Кварковая структура протона:
2 u-кварка и 1 d-кварк
24
1040
• От мельчайших объектов в
10-15 метров, до границ
известной Вселенной на
расстоянии 1025 метров,
линейные масштабы
изменяются всего на 40
порядков величины.
25
Характерные размеры в нанометрах
Простые молекулы
Молекулы ДНК
Вирусы
Бактерии
Амёбы
Пыльца растений
Нематоды
Насекомые
Мелкие млекопитающие
Крупные млекопитающие
1 нм
10 нм
100 нм
НАНООБЪЕКТЫ
1 000 нм
10 000 нм
100 000 нм
1 000 000 нм
10 000 000 нм
100 000 000 нм
1 000 000 000 нм
26
Сопоставление масштабов
Масштабы микромира
Атомы Молекулы Нанообъекты
Клетки
Микробы
Вирусы
27
ТЫСЯЧЕЛЕТНЯЯ
ИСТОРИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
28
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
Еще в 500 г. художники
делали стеклянные
витражи очень ярких
цветов, которые
невозможно получить с
помощь красок.
Яркость и
долговечность
обеспечивали,
добавляя в стекло
наночастицы
благородных металлов.
29
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
“Кубок Ликурга”
изготовлен
римлянами
до 640 г.
Кубок меняет цвет при освещении изнутри.
Этот эффект создают наночастицы золота и серебра.
30
Примеры из тысячелетней
истории нанотехнологий
Из письма Бенжамина
Франклина (7 ноября 1773 г.)
...being at Clapham, where
there is…a large Pond ... I
fetched out a Cruet of Oil,
and dropt a little of it on the
Water. I saw it spread itself
with surprising Swiftness
upon the Surface ... the Oil
tho' not more than a Tea
Spoonful ... which spread
amazingly, and extended
itself gradually … making all
that Quarter of the Pond,
perhaps half an Acre, as
smooth as a Looking
Glass....
31
... the Oil tho' not more than a Tea Spoonful ...
... perhaps half an Acre
….не более чайной ложки масла….
….примерно, половину акра (0,2 гектара)…
Какова была толщина пленки масла ?
Объем = (Площадь)х(Толщина)
Численная оценка показывает, что толщина  1 нм
– одиночный слой молекул
~1 нм
Такие пленки называют монослойными
(лэнгмюровскими)
32
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
Первую в истории
фотографию «Вид из
окна» сделал в 1826 г.
Жозеф Ньепс.
Уже через несколько
лет был изобретены
фоточувствительные
материалы,
содержащие
нанокристаллы
галогенида серебра.
33
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
НАНОКОЛЛОИДЫ
Наночастицы не оседают из жидкой среды.
Все цвета радуги можно получить при рассеянии света
нанколлоидами с различными размерами частиц.
Эти эффекты обнаружил Майкл Фарадей (Michael Faraday)
в 1857 году.
34
Основные этапы
современной истории
Фейнман – Танигучи - Дрекслер
35
ФОРМУЛИРОВАНИЕ ИДЕИ.
«ДЕДУШКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ»
36
«Типичный
гений»
Эксцентричный
Ричард Фейнман
( Richard Feynman )
1918 - 1988
© H. Schroeder Loughborough University 1998
Lecture 1.37
Детство / Обучение
• В 15 лет освоил дифференциальное и интегральное исчисления
– В средней школе имел индекс IQ равный 123
• В выпускном классе стал победителем «Чемпионата по
математике» Университета Нью Йорка
• Поступил в Массачусетский Институт Технологий (MIT),
прослушал все курсы по физике
• При поступлении в Принстонский Университет впервые в
истории получил на экзаменах высшие оценки и по физике, и по
математике
– Защитил диссертацию (PhD) в 1942 году
38
Проект «Манхэттен»
• Работал в Лос
Аламосе
• Руководил группой
«людейкомпьютеров»
• В свободное время
занимался
взламыванием
замков, играл на
барабанах
• После атомной бомбардировки, надолго
впал в депрессию
– Считал, что бессмысленно работать на будущее,
так как мир в конце концов будет разрушен
39
Преподавание
• Несмотря на иные многочисленные
предложения. Фейнман выбрал
должность профессора в
Калифорнийском технологическом
институте (Caltech)
– Получил прозвище “The Great
Explainer” (Великий
Объяснитель)
– Старался сделать изложение
любой научной темы
доступным для первокурсников
• Награжден медалью Эрстеда за
выдающиеся успехи в преподавании
40
Лекции Фейнмана, записанные вначале
на магнитофон, а затем «переведенные»
на «письменный английский»
профессорами М.Сэндсом и Р.Лейтоном,
не похожи ни на один известный курс.
Они отличаются оригинальным методом
изложения, в котором отразилась яркая
научная индивидуальность автора,
его точка зрения на пути обучения
студентов физике, его умение заразить
читателей интересом к науке.
41
Создание квантовой электродинамики
• За разработку этой теории в 1965 году награжден
Нобелевской премией по физике (совместно с двумя
другими учеными)
• «Диаграммы Фейнмана»
используют для расчета
взаимодействий элементарных
частиц
• Имеют большое значение для
современной теории «струн»
42
«Дедушка нанотехнологий»
• Лекция “There’s Plenty of
Room at the Bottom: An
Invitation to Enter a New
Field of Physics”
(Там, внизу еще много
места: приглашение в
новый мир физики )
• Прочитана перед
Американским
Физическим Обществом в
1959 году
• Опубликована в журнале
Engineering and Science,
в 1960 году
43
… Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики,
которая представляется весьма важной и перспективной и может
найти множество ценных технических применений. Речь идет о
проблеме контроля и управления строением вещества в интервале
очень малых размеров.
Внизу (т. е. «внизу или внутри пространства», если угодно)
располагается поразительно сложный мир малых форм,
и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому,
что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям
этого мира
44
… Известные нам принципы физики не запрещают создавать
объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе,
вполне реальна и не нарушает никаких законов природы.
Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем,
что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими
объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие
манипуляции.
45
«Дедушка нанотехнологий»
• «И наконец, рискну предложить еще одну идею
(рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое
будущее), которая мне представляется
исключительно интересной. Речь идет о
возможности располагать атомы в требуемом
порядке — именно атомы, самые мелкие
строительные детали нашего мира!» – Фейнман,
1959
D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a
scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990). 46
ПОЯВЛЕНИЕ ТЕРМИНА
«НАНОТЕХНОЛОГИЯ»
47
Норио Танигучи ( Norio Taniguchi )
• Ввел термин в статье 1974
года: "On the Basic Concept of
Nanotechnology" («Об
основных принципах
нанотехнологий»)
• Свой термин Танигучи
относил прежде всего к
допускам обработки
макроскопических объектов и
материалов. По сути, в его
трактовке нанотехнологии
сводились к доведению до
молекулярного совершенства
существующих принципов
механической обработки
материалов.
48
Широкая
общественная популяризация
возможных
практических приложений
«ОТЕЦ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»
49
Эрик Дрекслер ( Eric Drexler ), 1955 г.р.
• (1986) – Книга «Engines of
Creation: The Coming Era of
Nanotechnology» ( «Машины
создания : грядущая эра
нанотехнологии» )
50
«Отец нанотехнологий»
В 1991 году Эрик Дрекслер
защитил первую в истории
диссертацию (PhD),
по нанотехнологиям
51
«Отец нанотехнологий»
• 1986 год - Эрик
Дрекслер – основатель и
председатель
американского
Института Предвидения
и Формирования
Будущего (Foresight
Institute)
52
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ
ПРОГРАММЫ
РАЗВИТИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
53
США
54
СТИМУЛЫ
ФУЛЛЕРЕН
обнаружен осенью 1985 г.
55
СТИМУЛЫ
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
обнаружены в 1991 г.
Японский ученый
Профессор
Sumio Iijima
56
РЕАКЦИЯ
В 1999 году Президент
Клинтон
объявляет программу
«Национальная
Нанотехнологическая
Инициатива»
(NNI)
57
Национальная программа нанотехнологий
Белый Дом – ноябрь 2003
58
Администрация Президента США
Государственный Совет по Науке и Технологиям
Комитет по Нанонауке, Нанотехнике и Нанотехнологии
National Science and Technology Council (NSTC)
Committee on Technology
The Interagency Working Group on
NanoScience, Engineering and Technology (IWGN)
59
Книга
«ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ»
Автор:
G Ali Mansoori
(Университет штата Иллинойс,
Чикаго, США)
Научно-технический журнал
«Нефтяная наука и техника»
Главный редактор:
G Ali Mansoori
(Университет штата Иллинойс,
Чикаго, США)
60
А ЧТО В РОССИИ ??
61
15 декабря.2005 г.
На заседании правительства РФ
Михаил Фрадков предпочел
нанотехнологии телогрейкам
«Надо, чтобы бизнес понял, что если он сегодня
не пойдет в нанотехнологии,
то пропустит все на свете
и будет в лучшем случае
в телогрейке работать на скважине,
которой будут управлять наши друзья и партнеры».
России нужна долгосрочная стратегия
развития инноваций, иначе
«когда завершится раздел энергетического рынка
в мире, можно остаться ни с чем».
62
Вице-премьер Александр Жуков
предложил сделать
развитие нанотехнологий
одним из
национальных приоритетов.
"Нанотехнологии могут стать в ХХI веке примерно
тем же, чем была разработка атомной бомбы в ХХ веке
или создание информационных технологий
ближе к концу века", - заявил он.
"Если мы не обозначим это
национальным приоритетом
и не сделаем национальную программу,
то мы отстанем", - подчеркнул Жуков,
предложив выделить развитие нанотехнологий
как один из основных приоритетов
научной стратегии России
63
Приоритеты России в области наноиндустрии
Наноинженерия и
наноэлектроника
Метрологическое
оборудование
Функциональные
наноматериалы
Приоритеты
России
Специальные
применения
нанотехнологий
Нанобиотехнологи
и
Конструкционные
композиционные
материалы
64
Инновационный
проект
«Каталитические
наномембраны» (2005-2007 гг.)
Создание принципиально новой ресурсо- и
энергосберегающей технологии переработки
углеводородов, в том числе утилизации
попутных нефтяных газов, на базе
нанопористых каталитических структур
Основные показатели
проекта (2005-2007 гг.)
Головной исполнитель –
Ассоциация «АСПЕКТ» (г.Москва)
Освоение
6 видов продукции
для коммерциализации
Основные партнёры
ОАО «Татнефтехиминвестхолдинг» (Казань)
«Институт проблем химической
физики РАН» (Черноголовка)
Московский институт
стали и сплавов
– 1026 млн.руб.
Доля
бюджетных
средств -
Доля
внебюджетных
средств -
(342 млн.руб.)
(684 млн.руб.)
67%
инноваций
РНЦ «Курчатовский
институт»
Получение
2 патентов на объекты
коммерциализации
Московская академия тонкой
химической технологии
Суммарный объем инвестиций
33%
Внедрение
2 технологических
ОАО «ВНИПИнефть» (Москва)
Объемы продаж объектов
для коммерциализации
по проекту, млн.руб.
700
700
• План
410
280
13
2007
2008
2009
2010
2011
65
Особая экономическая зона технико-внедренческого типа
г. Томск
НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
информационно-коммуникационные и электронные технологии, технологии производства
новых материалов, нанотехнологии, биотехнологии, медицинские технологии
РЕЗИДЕНТЫ
ООО «Научно-исследовательская организация «Сибур-Томскнефтехим» . Разрабатываются
новые технологии:
производство сверхвысокомолекулярного полиэтилена
производство нового титаново-магниевого катализатора для нефтехимии
УЧРЕДИТЕЛИ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ РЕЗИДЕНТОВ
ОАО «Газпром»
ФГУП «Микроген»
ОАО «Техснабэкспорт»
Холдинг «В.А.В.С.»
66
НАЧАЛО ПРЕЗЕНТАЦИИ
Институт прикладной математики
им.М.В.Келдыша РАН
Нанотехнологии.
От алхимии к химии и
дальше…
Совещание по вопросам
развития и применения
отечественных достижений
в области нанотехнологий
Профессор Малинецкий Г.Г.
E-mail: gmalin@keldysh.ru
Тел: 250-79-16
5.07.2007
Общий вывод
• Руководство партии «Единая Россия» приняло правильное
и смелое решение о форсированном развитии сферы
нанотехнологий.
• Успешная реализация этого решения позволит ответить на
вызовы в сфере национальной безопасности и поднимет
науку России на качественно новый уровень.
68
Российские реалии не позволяют копировать
американский
сценарий развития нанотехнологий
Опасности проекта нанотехнологий для «Единой России»
•
Нанотехнологии – не нефть. Чтобы использовать достижения,
их нужно иметь.
•
Не очерчена область и не выделены приоритеты.
•
Опасность распыления средств и утраты цели.
•
Отсутствие комплексной координации работ по проекту.
Проблемы с экспертизой.
•
Отсутствие междисциплинарности и кооперации со
специалистами - опасность изобретения велосипеда.
•
Острый кадровый голод. Специалистов пока единицы.
КОНЕЦ ПРЕЗЕНТАЦИИ
70
Нанотехногии в мире
( правительственные инвестиции в 1997-2004 гг. )
“Прогноз на 10-15 лет: промышленное производство в секторе
нанотехнологий превысит триллион долларов, в нем будут заняты
примерно 2 миллиона работников – специалистов по нанотохнологиям.”
71
Финансирование наноразработок в мире в 2004 году
Россия — явный аутсайдер
в списке разработчиков в области нанотехнологий.