Год

1928 1932 1938 1959 1972 1975 1981 1985 1986 1988 1991 1998 2000

Краткая хронология существенных достижений в области нанотехнологий

Предложена принципиальная схема устройства сканирующего оптического микроскопа ближнего поля Создание первого просвечивающего электронного микроскопа Создание первого сканирующего электронного микроскопа Ричард Ф. Фейнман (США) выдвинул идею создания веществ и объектов методом поштучной «атомарной» сборки Создано реальное устройство, работающее по принципу микроскопа ближнего поля Теоретически рассмотрена возможность существования так называемых квантовых линий и квантовых точек Создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Создание первого полевого транзистора с высокой подвижностью носителей (НЕМТ). Химики синтезировали первые фуллерены Эрик К. Дрекслер (США) выдвинул концепцию создания молекулярных машин» Создание атомно-силового микроскопа (АСМ) В Японии началась реализация государственной программы по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная Технология»). Получение первых углеродных нанотрубок Изготовлен элемент памяти электронного запоминающего устройства (с объемом памяти 128 мегабит), работающий при комнатной температуре США приступили к реализации программы исследований, названной Национальной Нанотехнологической Инициативой (НИИ)

Электроника Намечаемые цели для и возможности информационных нанотехнологин технологий

Полупроводниковая техника Трехмерные МОП-структуры БИС Техника хранения информации Углеродные нанотрубки Запоминающие устройства нового типа (одноэлектронная память и т. п.) Создание терабитовых запоминающих устройств Биодатчики Устройства нового типа Устройствасетевой связи

Экономические и социальные последствия внедрения нанотехнологий

Значительное снижение энергопотребления микропроцессоров (примерно в 1000 раз) Резкое увеличение объема памяти запоминающих устройств (в тысячи или даже сотни тысяч раз!) Материалы, способные к «молекулярному распознаванию» Объединение датчиков с ДНК-чипами Создание чипов с набором генов, белков, клеток и различных тканей Введение датчиков в организм Контроль за состоянием организма (состав крови, состояние клеток и т. п.) Лаборатории-на-чипе (анализ микроколичеств вещества и микрообразцов) Персональные информационные терминалы Прогресс в информационных технологиях Возрастание объема работы информационных сетей к 2010 году примерно в 1000 раз!

Дальнейшая демократизация общества; рост благосостояния; защита окружающей среды; развитие систем медицинского обслуживания и т. д.

Развитие систем ранней диагностики и предупреждения заболеваний Снижение расходов на медицинское обследование Революционные изменения в организации здравоохранения и охраны окружающей среды Развитие систем «лечения в домашних условиях» Развитие систем социальной защиты инвалидов Социальные проблемы создания больших информационных сетей Оптическая передача информации Разработка устройств оптической связи и создание так называемых модулей(к 2005 году) Развитие фотоники(к 2010 году) Радиопередача информации Создание модулей радио- передачи информации типа «передатчик— приемник» (до 2005 года) Развитие техники «адаптивных» антенн Значительный прогресс в информационных технологиях и системах оптической связи (фотоника, волноводы и т. д.) Развитие централизованных и локальных сетей; разработка систем доступа к базам данным, обмена информацией и т. п.

Повышение скорости передачи данных Электронными и оптическими средствами от 40 гигабит/с до 160 гигабит/с Прогресс в информационных технологиях, связанный с радиопередачей информации (электронные устройства со сверхширокой полосой ропускания) Повышение скорости передачи информации от 30 мегабит/с до 10 гигабит/с

Материалы и методы обработки Ожидаемые эффекты от внедрения нанотехнологий Экономические, технические и социальные последствия

Нанокристаллы, нанозерна Повышение прочности стали Обработка поверхности с молекулярной точностью Производство новых материалов Технология получения (измельчение зерен, соединение и придание ориентации) нанозернистых материалов Техника обработки поверхности

с

нанометровой точностью Технология получения и отделения двумерных кристаллов Создание наноэлектронных устройств (с использованием фотодиодов и т. п.) Создание сред для магнитной записи со сверхвысокой плотностью Создание высокоэффективных оптоэлектронных переключателей Создание устройств для сверхточной механической обработки Использование металлических нанокластеров в катализе и энергетике Создание сверхпроводящей керамики Создание функциональных оптических материалов структурированные материалы Создание сверхлегких и сверхпрочных конструкционных материалов Многослойные, композиционные и Создание высокопрочных и коррозионностойких металлических материалов Создание магнитных сред для записи со сверхвысокой плотностью Повышение прочности, снижение веса, особая отделка и внешний вид Медицинские применения (новые противораковые препараты) Создание на основе нанозернистых материалов светоизлучающих устройств с низким энергопотреблением Создание на основе нанозернистых материалов сред для магнитной записи со сверхвысокой плотностью Новый этап развития полупроводниковой промышленности Развитие промышленного производства новых типов материалов Прогресс в энергетике и информационных технологиях

Измерения, обработка, моделирование

Развитие техники измерений Техника микрообработки

Ожидаемые результаты внедрения нанотехнологий

Высокоточные и высокоскоростные измерительные устройства Использование оптической техники вакуумного ультрафиолета Получение «сверхплоских» поверхностей и подложек Терабитовые оптические и магнитные запоминающие устройства Создание новых типов ЭВМ (нанокомпьютеры, квантовые компьютеры, молекулярные и биологические компьютеры) Полупроюдниковая техника; квантовые точки; новые типы лазеров Медицина; наносистемы в биологии Информационные терминалы нового типа Системы мониторинга окружающей среды и энергетических установок Развитие методов точного моделирования Машинное проектирование полупроводниковой техники (ТСА1))

Экономические, социальные и технические последствия

Революционные изменения в социальной жизни и экономике Значительный прогресс в развитии методов механической микрообработки (уменьшение размеров, повышение точности) Революционные изменения в социальной жизни и экономике Медицина и биология ( микрокатетеры, биологические мониторы, ДНК-чипы, биодатчики, искусственные органы) Окружающая среда и энергетика (мониторинг среды, микродвигатели, микробатареи и т. п.) Электроника; терабитовые запоминающие устройства (рост объема памяти в 1000 раз!); одноэлектронные устройства; квантовые компьютеры Передача и обработка информации (персональные информационные терминалы, квантовые компьютеры, оптоэлектронные большие интегральные схемы Существенные изменения структуры электронной промышленности

Проблемы окружающей среды

Повышение температуры атмосферы Земли Загрязнение среды диоксином Кислотные дожди

Основные факторы, приводящие к возникновению проблемы

Поступление в атмосферу больших количеств двуокиси углерода и метана, что связано с постоянным увеличением объема сжигаемого ископаемого топлива (нефти и т. п.), выхлопными газами автомобилей и т. д.

Широкое применение диоксина в промышленных целях Возникновение так называемых кислотных дождей связано с тем, что в атмосферу поступают большие количества сульфидов и нитридов, выступающих побочными продуктами производств

Существующая ситуация, прогноз на будущее и т. д.

Средняя температура атмосферы Земли за период 1960-2000 гг. возросла на 0,5 'С Ожидается, что за XXI век средняя температура атмосферы возрастет еще на 3 °С, в результате чего уровень мирового океана возрастет примерно на 65 см В центральных и северных областях Японии (Тохоку, Хоккайдо) подъем уровня моря вызовет серьезные проблемы, а в западной Японии возникнут проблемы с выращиванием традиционных сортов риса Повышение температуры значительно сместит распределение лесных массивов на планете и приведет к замене одних пород деревьев другими Изменение климата приведет к усилению так называемых суточных пиков электропотребления, а также к повышению температуры в крупных городах и их окрестностях Медики считают, что уменьшение озонового слоя на 1 % приводит к росту числа больных с раком кожи на 3-6 %, а с лейкемией (белокровием) — на 1 % В соответствии с прогнозами врачей, уменьшение озонового слоя на 10 % приведет к росту заболеваний раком кожи на 20 %. Каждый год 1,6-1,7 миллиона человек будут заболевать лейкемией Продолжающийся рост объема выброса фреонов в атмосферу может привести к существенному разрушению озонового слоя в течение ближайших 10 лет В настоящее время в организме каждого японца на 1 кг веса содержится около 3,72 пикограмм диоксина (предельная норма содержания диоксина составляет 12,4 пикограмм) Хлорсодержащие соединения постоянно поступают в атмосферу из-за сжигания различных пластиков (в особенности поливинилхлоридов, уретана и т. п.) Зола и остатки сжигаемых полимерных отходов являются активными загрязнителями атмосферы, почвы и водных ресурсов Дивксин обнаруживается даже в материнском молоке Сульфиды и нитриды в больших количествах содержатся в продуктах сгорания ископаемого топлива (нефти и т. п.) Очень большие количества соединений азота и двуокиси углерода содержат выхлопные газы автомобилей и других транспортных средств Начиная с 1990 года в центральных районах Японии наблюдается постоянный рост легочных и других заболеваний, связанных с загрязнением атмосферы По расчетам в 1974 году из-за кислотных дождей в центральных районах Японии пострадало более 30 тысяч человек (глазные и кожные заболевания)

Проблемы экологии и энергетики

Повышение температуры атмосферы Земли Разрушение озонового слоя

Возможности использования нанотехнологий

Поиски альтернативных источников энергии (отказ от сжигания ископаемого топлива, использование природных источников); повышение кпд устройств, работающих на солнечной энергии Новые топливные элементы Использование энергии ветра и т. д. З начительное уменьшение количества СО2 в выхлопных газах и т. п.

Поиск веществ и материалов, заменяющих фреоны Загрязнение среды диоксином Кислотные дожди Поиск новых материалов, способных заменить хлорсодержащие пластики Создание биодатчиков, способных к длительному и точному мониторингу окружающей среды Создание нанопорошков для борьбы с загрязнением окружающей среды Создание нанофильтров Поиски альтернативных источников энергии (отказ от сжигания ископаемого топлива, использование природных источников); повышение кпд устройств, работающих на солнечной энергии.

Новые топливные элементы.

Экономические, социальные и технические задачи

Развитие экологически безопасных транспортных средств Развитие и производство новых источников энергии (топливные элементы и т. п.) Широкое внедрение новых типов материалов (на основе углеродных нанотрубок и т. п.) Предотвращение дальнейшего разрушения озонового слоя; снижение риска онкологических заболеваний (уменьшение озонового слоя на 10 % повышает число онкологических заболеваний на 20 %) Создание общества и экономики «безотходного» типа; прекращение выпуска экологически опасных веществ; полная переработка отходов; полное предотвращение образования диоксина Уменьшение или прекращение выброса окислов серы и азота транспортными и промышленными установками

Область исследований

Здравоохранение и медицина Лекарственные препараты

Возможные практические применения нанотехнологий

Создание наноустройств (автономных и вводимых в организм) Биодатчики (создание рганических и неорганических материалов, превосходящих ткани организма по функциональным возможностям) Создание биомеханизмов, способных осуществлять измерения и требуемые медицинские действия Практическое использование результатов проекта «Геном человека» «Адресная доставка» лекарств Получение новых биоматериалов Искусственные ферменты и антитела Искусственные функциональные полимеры (заменители тканей организма и т. п.) Восстанавливающая медицина Производство биологически активных нановеществ методами самосборки

Социальные, экономические и технические последствия

Новые парадигмы в медицине Создание долгосрочных и эффективных систем контроля здоровья. Измерение уровня загрязнения окружающей среды Революционные изменения в медицинском обслуживании (возникновение медицины «малого» вмешательства и даже медицины «без вмешательства») Измерение содержания различных веществ в организме, лечебные операции при необходимости (детектирование и уничтожение раковых клеток и т. п.) Реализация идей «индивидуальной» медицины Организация полного курса лечения на основе личной генетической информации о пациенте Значительный прогресс в здравоохранении и фармацевтике Непрерывный контроль за состоянием организма Полная победа над раковыми заболеваниями, СПИДом и т. п. Разработка лекарственных препаратов с новым механизмом действия (например, препаратов, активизирующихся при повышении температуры у пациента) Реализация идей восстанавливающей медицины Производство искусственных тканей и органов, не вызывающих реакцию отторжения Развитие рынка медицинских услуг (до 50 миллиардов иен) к 2020 году

Проблемы сельского хозяйства

Недостаток продуктов питания

Возможные практические применения нанотехнологий

Методы генетической модификации: • создание более устойчивых к сорнякам и вредителям сортов растений • увеличение урожайности • повышение питательной ценности (калорийности) получаемых продуктов

Социальные, экономические и технические последствия

Решение проблемы нехватки питания Создание стабильного и достаточного Сельскохозяйственного производства Широкое применение

Создание более быстрых, надежных и удобных авиационных транспортных средств включает в себя:

Предпосылки развития

Создание новых типов двигателей Улучшение аэродинамики летательных аппаратов Создание новых конструкционных материалов В обычных композиционных материалах характеристики «складываются», однако при достижении некоторого предела характеристики могут «умножаться»

Каждый компонент нанокомпозитов образует отдельную структуру, однако атомы при этом дополнительно взаимодейетвуют друг с другом, создавая новые структуры и придавая веществу новые свойства

Возможности применения нанотехнологий Авиация, космическая техника Ракетная техника Возможные практические применения нанотехнологий Создание сверхлегких, сверхпрочных и термостойких материалов Нанокомпозиты Социальные и др. последствия внедрения Развитие новых, более удобных и надежных средств авиатранспорта Ракетные двигатели нового типа, космические станции

Важнейшая проблема — создание единой «сети» исследований, т. е. обеспечение реального взаимодействия между промышленными, государственными и научными кругами, быстрого и эффективного обмена информацией и т. д.

Нанотехнологические исследования связаны с различными науками (физика, химия, биология, математика, технология)

Информационные технологии «Сеть» связанных научных дисциплин Биология, медицина

ПУТЬ К УСПЕХУ

Экология, энергетика Авиация, космическая техника Материаловедение Студенты, исследователи, персонал Новые области науки, связанные с развитием нанотехнологии Фундаментальные исследования + внедрение + новые учебные программы Развитие международных и междисциплинарных научных связей

Обеспечение обмена информацией и идеями

Практические применения (электроника и т. д.)

Исследователи, инженеры, техники Университеты, фундаментальн ые исследования

Социальные преобразования XXI века

Промышленные круги; реализация проектов и внедрение результатов Исследований в производство Междисциплинарные контакты

Международные контакты и научный обмен

Междисциплинарные контакты

Метод ALCVD Терабитовые магнитные диски «Умные» биодатчики Лаборатории-на-чипе  Наноустройства в фотонике Новые методы литографии Оптическая связь (фотоника, волноводные устройства) Радиосвязь (сверхширокополосные устройства) Использование нанотехнологий в устройствах типа Пасокон Контрольно-измерительное оборудование с использованием СЭМ Трёхмерные БИС (МОП-транзисторы с трёхмерной структурой) Одноэлектронные запоминающие устройства Принципиально-новые устройства (с углеродными нанотрубками)

PDP Производство углеродных нанотрубок и фуллеренов Гибкие дисплеи из органических материалов Наностёкла Магнитные среды для записи со сверхвысокой плотностью.

 Устройства со сверхплотной компоновкой Высокоэффективные фотоэлектронные преобразователи Нанопроволоки Волокна с углеродными нанотрубками Новые сорта стали ( с повышенной прочностью, термостойкостью, коррозионной стойкостью и т.д.

Нанокристаллические оптические устройства Сверхпроводники «Синергические» керамические материалы «Регулируемые» оптические волокна (с меняющейся структурой) «Высокоэнергетические» материалы (биометики)

Скоростная измерительная аппаратура с высоким разрешением Информационные терминалы нового типа Полупроводниковые устройства нового типа (TCAD) Микромашины и микродвигатели Нанолазеры Использование сверхдальнего УФ-излучения Сверхточная обработка поверхности Биологические и медицинские наносистемы Нанокомпьютеры. Биокомпьютеры (после 2016 года)

Материалы для автомобилестроения (полимерные нанокомпозиты) Новые оптические наноматериалы Термоэлектрические преобразователи с высоким КПД Аккумуляторы водорода Топливные батареи для автомобилестроения Топливные батареи Биодатчики Солнечные батареи с высоким КПД Нанороботехника Искусственный фотосинтез (2017 год) Нанофильтры для разделения изотопов (2025 год) Бионеорганические материалы Технология связывания СО 2 Технология разложения фреонов Высокоэф фективные разделитель ные мембраны

Жидкие наноматериалы для охлаждения атомных реакторов Развитие общих методов моделирования наносистем Развитие общих методов анализа и моделирования полимерных сеток Система «адресной» доставки лекарств в организме Биоматериалы Биологические микродвигатели

Биологические пестициды Новые материалы для авиационной промышленности Новые материалы для космической техники