Урок-лекция «Что такое "нанотехнологии"»

Цель: Познакомиться с основами нанотехнологий, показать их значимость в современном мире.

Задачи:

1. Адаптировать учащихся к перспективам нанотехнологий.

2. Способствовать формированию познавательного интереса учащихся, расширить и углубить их представления о влиянии размеров атомных структур на разнообразные физические свойства.

3. Способствовать желанию самостоятельно изучать научную информацию в Интернете и умению анализировать получаемую информацию о развитии нанотехнологий.

Основные понятия:

Нано – дольная приставка единиц, обозначающая 10^-9.

Наночастица – это частица, объект, имеющий размеры 1-100 нанометра.

Нанотехнология – это технология работы с веществом на уровне отдельных атомов.

План лекции:

1. Смысл приставки «нано».
2. Что такое «нанотехнологии».
3. Этапы развития нанотехнологий.
4. «Нано» сегодня.
5. Перспективы нанотехнологий.

Большинство современных школьников знакомо с термином «нанотехнологии», но что стоит за этим словом, не знают. В лучшем случае расшифруют приставку «нано» как дольную единицу физики. Актуально на сегодняшний день предоставить ребятам начальные сведения о нанотехнологиях, об их истории развития, о современных достижениях в данной области и возможных будущих новинках.

Смысл приставки «нано»? Нанотехнология – часто используемое слово. Оно касается таких научных отраслей как химия, физика, электроника, механика, а также медицина и фармакология, космическая и военная промышленность. Данное понятие происходит от греческого слова «nanos», в переводе означающего «гном». Можно предположить, что данное быстро развивающееся направление науки занимается «маленькими объектами». Вот только выражения «малый», «мелкий» в этом случае по-прежнему являются не совсем адекватными, поскольку за наночастицы принимаются частицы размером 1-100 нанометров, что составляет 1-100 миллиардных частей метра.

Как представить себе такую короткую дистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятся по масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора.Уменьшим слона до размера микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалось бы нам тогда равной… 170 километрам.

Откинем фантазию о крошечных человечках и насекомых. На самом деле нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Сложные молекулы белков, строительные блоки живого, имеют размеры в 10нм. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя граница наномира. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи В этом особом мире работают свои законы и взаимосвязи, значительно отличающиеся от тех, которые действуют в нашем мире. Мы воспринимаем окружающие нас явления с точки зрения знакомых нам законов. Например, мы можем объяснить, почему может разрушиться строение, или почему набравшее скорость тело движется по инерции еще некоторое время. Однако нас удивляет, почему капля воды, муха, или даже некоторые виды ящериц удерживаются на потолке так, как будто закон гравитации на них не действует. Удивительными являются для нас и такие обычные явления, как несмачиваемость листьев некоторых растений или плодов. Все это заставляет задуматься над тем, какие силы работают в данном случае.

Что такое «нанотехнологии»? Исследованиям явлений в данной области сегодня посвящено огромное внимание не только в физике, химии, но и в других естественных науках. С учетом этого необходимо подчеркнуть, что наш организм предлагает целый ряд примеров «нанотехнологических» процессов, таких как дыхание или пищеварение. Возьмём, к примеру, котлету. Представим, что мы её с удовольствием съели за обедом. Каким образом котлета поступает в печень, почки? Расщепляется до отдельных атомов и молекул, и именно на молекулярном уровне идёт усвоение пищи организмом. Работой на уровне отдельных атомов и молекул как раз и занимаются нанотехнологи. Лауреат Нобелевской премии за исследования в области квантовой электродинамики Р.П. Фейнман сказал: „Если природа уже миллионы лет работает на уровне атомов и молекул, то почему же этого не можем делать мы?“. Самое интересное и самое сложное в наномире – всё, что связано с живой природой. Существует много примеров того, как человек только начинает открывать для себя явления и свойства наномира, которое живая природа давно освоила.

Есть одно из свойств природы, называемое «эффект лотоса». Оно заключается в том, что листья этого цветка всегда остаются чистыми. При дожде капли воды не смачивают листья, а просто скатываются с них, увлекая за собой частички грязи. Объясняется это строением поверхности листьев. Она покрыта крошечными шишечками высотой от 5 до 10 микрон, а на шишечках находятся ещё и многочисленные нановолосики. Именно эта структура во многом обеспечивает самоочистку листа и его водоотталкивающие свойства. Сейчас нанотехнологи стремятся использовать «эффект лотоса» в своих разработках самоочищающихся стёкол, красок и тканей.

Ещё одно из замечательных изобретений природы – лапки геккона. Геккон – небольшая ящерка, прославилась тем, что может свободно перемещаться по вертикальным стенам или даже потолку. И все потому, что его лапки покрыты до миллиарда тончайшими волосками особой формы. Они тесно соприкасаются с поверхностью и притягиваются к ней за счет так называемой ван-дерваальсовой силы, силы, действующей между молекулами. Нанотехнологи уже создали экспериментальные аналоги таких нанолипучек на основе углеродных нанотрубок – вполне возможно, что скоро каждый сможет попробовать себя в роли человека-паука.

Многие из давно используемых человечеством материалов являются именно «нанообъектами». Одним из самых древних примеров таких систем являются цветные стекла, окрашенные наночастицами металлов, технология получения которых была известна еще в Древнем Египте. Эта технология дожила до наших дней, войдя в основу окраски кремлевских звезд. Мало кто знает, что рубиновое стекло в буквальном смысле является золотым, поскольку представляет собой наночастицы золота, “растворенные” в высококачественном стекле. Широкую гамму цветов – от фиолетового до желтого – можно наблюдать и в «Кассиевом пурпуре», представляющий собой наночастицы золота, распределенные равномерно в геле оловянной кислоты, и названный так по имени гамбургского стекловара Андреаса Кассия (XVII век).В уникальном музее художественной керамики, размещенном в небольшом итальянском городе Фаенца, посетители могут любоваться экспонатами, украшенными цветной глазурью, технология которой была разработана гончарами Умбрии еще в XV веке и использовала отражающую способность ультрадисперсных металлических частиц для придания керамике необычного блеска.

В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм.

Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г) выделяют следующие типы наноматериалов:
– нанопористые структуры;
– наночастицы;
– нанотрубки и нановолокна;
– нанодисперсии (коллоиды);
– наноструктурированные поверхности и пленки;
– нанокристаллы и нанокластеры.

Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, часто непривычные для нас свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытывают суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Создание материалов с такими замечательными свойствами стало возможно благодаря тому, что нанотехнологи работают с веществом на атомном и молекулярном уровне.

Этапы развития нанотехнологий. Первое упоминание о методах, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, сделал один из крупнейших физиков современности Ричард Фейнман в 1959 году в своей знаменитой лекции «Там внизу много места». Он говорил о том, что скоро люди научатся манипулировать отдельными атомами, это позволит им управлять строением веществ. В 1981 году появился туннельный микроскоп, который позволяет не только видеть отдельные атомы, но и поднимать, перемещать их. Таким образом, доказана принципиальная возможность собрать любой предмет, вещество из отдельных атомов. Сам же термин «нанотехнологии» в 1974 году ввёл японский физик Норио Танигути. В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий» и приставка «нано» стала на слуху у широкой публике. В ней автор характеризовал нанотехнологию как «путь к бессмертию и свободе», так как можно будет не только оздоравливать человеческий организм, но и улучшать его природные функции. На данный момент принято делить нанотехнологию на три напрвления: изготовление электронных схем размером до нескольких атомов; сборка из отдельных атомов любых веществ и объектов; создание наномашин (механизмов размером в несколько атомов)

«Нано» сегодня.Уже сегодня рынок нанопродкции огромен. 147 миллиардов долларов – стоимость товаров, выпущенных во всём мире в 2008 году с использованием новейших, только что созданных, нанотехнологий. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас.

Солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях, самые дорогие из них давали эффективность лишь 34%. Нанотехнологии вплотную взялись за солнечную энергетику. Солнечные батареи нового поколения - это дешевая полимерная пленка, вместо дорогого кристаллического кремния, которую обрабатывают на слегка переделанных машинах для производства фотоплёнки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю энергию, используют нанотехнологии: покрытие, содержащее фуллерены. Новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.

Каждый из нас знаком с энергетикой плееров, диктофонов, фонариков, игрушек. Её основа – обычная литий-ионная батарейка. Здесь тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы и нанопористые материалы – они заряжаются с немыслимой ещё вчера скоростью: на 80% всего лишь за минуту (обычно для этого требуется несколько часов). Представьте, какое преимущество для электромобилей даст эта новинка!

Заметнее всего развитие нанотехнологий в электронике. Достаточно взглянуть на процессор Intelобразца 2008 года, произведённый по нормам 45нм базовых микросхем, он работает на тактовой частоте около 3ГГц, а потребляет всего 35 Вт энергии. Однако применение нанотехнологий не ограничивается уменьшением размера транзистора – появился ряд новых материалов, специально созданных для повышения энергоэффективности микросхем.По той же технологии начат выпуск и совсем маленьких процессоров, содержащих «всего» около 50 миллионов транзисторов на чипе размером с копеечную монету. Они будут использованы в мобильных Интернет-устройствах – так нанотехнологии помогут нам в доступе к деловой и научной информации, образовательным и развлекательным ресурсам Интернета.

Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты атакуют главным образом клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических средств) эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз. Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применить виде наночастиц. Уже несколько лет существуют заживляющее повязки для ожогов и серьёзных ран, содержащие такое наносеребро. В недалёком будущем начнется промышленный выпуск хитозановых повязок, которые ускорят заживление ран в разы. Планируется выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань.

Московские нанотехнологи разработали телевизор, который можно свернуть в рулон. Толщиной он всего несколько миллиметров и представляет собой органический светодиод. На сегодняшний день есть у него серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро портится.

Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. Этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые токи, и получить их можно из окружающей среды, например, из тепла человеческого тела.

При разнице температур всего в 2°C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения: в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.

Перспективы нанотехнологии. По прогнозам экспертов, к 2020 году многие идеи, которые сегодня находятся на стадии исследований, будут реализованы. Давайте немного пофантазируем, представим мир недалекого будущего. Электричеством нас будут обеспечивать солнечные батареи, встроенные в стены и крыши домов. Телевизоры, компьютеры будут компактными виде стикеров. Все окружающие нас предметы будут оснащены миниатюрными процессорами, чтобы, например, поддерживать необходимую температуру, давление, влажность, следить за составом воздуха. Микро- и нанодатчики помогут в обнаружении любых угроз, от пожара до атаки террористов. Даже одежда будет самоочищающая и умеющая контролировать эмоциональное состояние того, кто её носит. Наноматериалы ширко будут использоваться в технике и промышленности, они будут защищать от грязи, коррозии, различных повреждений. Однако самое интересное и важное – как повлияет развитие нанотехнологий на частную жизнь человека, на жизнь общества в целом. Уже ясно, что эти технологии сильно изменят мир. Но предвидеть эти изменения в деталях пока не может никто.

Что нам ждать от нанотехнологов? Планируется создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, предупреждая о болезнях, или вовсе устраняя их. Более сложные молекулярные роботы предотвратят старение организма, вылечат безнадежно больных. На производстве такие роботы будут собирать любые предметы из атомов и молекул, что, безусловно, повысит качество продукции. Сельское хозяйство полностью преобразуется, так как, например, стакан молока можно будет получить простым нажатием кнопочки. Комплексы молекулярных роботов тут же из атомов произведут все химические процессы, что и в живом организме, и вы получаете стакан настоящего парного молока. Экология будет оздоровляться роботами-санитарами, которые вторсырьё превратят в исходное.

Нанотехнологии – это наше настоящее и будущее. Наверное, нет ни одной сферы жизнедеятельности человека, которую они бы не затронули. Мир нанотехнологий интересен и доступен не только ученым. Ищите, читайте, анализируйте информацию. Занавес в удивительный мир нанотехнологий приоткрыт! Попробуйте самостоятельно познакомиться, например, с наноартом, космическим лифтом.    

Интернет-сайты

http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях №1 в России

http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»

http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках

http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал

http://www.nanoware.ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров

http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях .