XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нанотехнологии – в нашей жизни
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человечество всегда стремилось к прогрессу и с древних времён искало способы лечить болезни и продлевать жизнь. Люди пытались излечивать болезни разными способами - если в XX веке умели решать проблемы на клеточном уровне, то в наше время уже научились решать их на атомном и молекулярном. Учитывая это, в XXI веке особенно активно стали проводиться исследования по применению нанотехнологий в медицине. Впервые о нанотехнологиях заговорил Ричард Филипс Фейнман, в 1959 году высказав мысль о возможности манипулирования веществом на уровне атомов. Позже были изобретены туннельный и атомно-силовой микроскопы, позволяющие видеть отдельные атомы и манипулировать ими. Итогом этих открытий послужил труд Дрекслера, который рассмотрел возможность сборки частиц и молекул. Нанотехнологии связаны не только с медициной, но и с электроникой, военным делом, бытом людей. Актуальность темы исследования нанотехнологии связана с её малоизученностью и необходимостью восполнения недостающей научной информации, т. к. нанотехнология — это современная наука, которая не стоит на месте. Сейчас нет ни одной технологии, в которой бы не использовались нанотехнологии. На международном форуме по нанотехнологиям 08.10.2009 Дмитрий Медведев сказал: «Нанотехнология - основа будущей экономики».
Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отходы и многое другое.
По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.
Итак, исходя из актуальности данной темы мною определены:
Объект исследования: нанотехнологии в современном мире. Предмет исследования: сферы применения роботов, их возможности и перспективы в нанотехнологиях.
Гипотеза исследования: общество готово к изменениям в современном мире посредством нанотехнологий.
Цель: рассказать о таком важном изобретении как нанотехнология, познакомить сверстников с роботами, и их возможностях в современном мире.
Задачи: Уточнить определение «нанотехнология»; Систематизировать типы роботов и их сферу применения; Проанализировать вопрос совершенствования нанороботов в будущем; Проведение и анализ социологического исследования со сверстниками; Использование ИКТ при оформлении результатов проведенного исследования.
Методы исследования: сбор материала по теме; обработка информации; анализ изученного материала; оформление работы.
Понятие «нанотехнологий»
Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах.Большинство историков считают создателем термина физика Ричарда Фейнмана и его речь 1959 года: «Там, внизу, полно места». В своей речи Фейнман представил день, когда машины можно будет настолько уменьшить, а в крошечных пространствах будет закодировано столько информации, что с этого дня начнутся совершенно невероятные технологические прорывы.Но по-настоящему эту идею раскрыла книга Эрика Дрекслера «Двигатели создания: грядущая эра нанотехнологий». Дрекслер привел идею самовоспроизводящихся наномашин: машин, которые строят другие машины.Поскольку эти машины программируемы, их можно направить на строительство не только большего числа таких машин, но и на что захотите. И поскольку это строительство происходит на атомном уровне, эти нанороботы могут растащить любой вид материала (почву, воду, воздух, что угодно) атом за атомом и собрать из него что угодно.Дрекслер нарисовал картину мира, где вся библиотека Конгресса может поместиться на чипе размером с кубик сахара и где экологические скрубберы вычищают загрязняющие вещества прямо из воздуха. Но прежде, чем мы познакомимся с возможностями нанотехнологий, давайте рассмотрим основы.
Нанотехнология (греч.nanos— «карлик» +«техно»— искусство, +«логос»— учение, понятие) — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, занимающаяся новаторскими методами (в сферах теоретического обоснования, экспериментальных методов исследования, анализа и синтеза, а также в области новых производств) получения новых материалов с заданными нужными свойствами. В нанотехнологии применяют новейшие технологии манипулирования единичными атомами или молекулами (перемещение, перестановки, новые сочетания).
Согласно Программе развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года Нанотехнологии – технологии, направленные на создание и эффективное практическое использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками. Очевидно, нанотехнологии — это не просто отдельная часть знаний, это огромная и всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками. Итак, изучив понятие нанотехнология, мы можем рассмотреть основные ее направления: область электроники, область фотоники, целенаправленное использование биологических макромолекул и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств, наномедицина. Методы и инструменты исследования и сертификации наноматериалов и наноустройств – устройства и приборы, предназначенные для манипулирования наноразмерными объектами, измерения, контроля свойств и стандартизации производимых и используемых наноматериалов и наноустройств. Технологии и специальное оборудование для опытного и промышленного производства наноматериалов и наноустройств – область техники, связанная с разработкой технологий и специального оборудования для производства наноматериалов и наноустройств. Институты Российской академии наук выполняют большой объем прикладных работ, многие из которых направлены на создание принципиально новых технологий, приборов, элементной базы, превосходящих не только российский, но и мировой уровень. Нельзя обойти вниманием город Саров, в котором расположен Российский федеральный ядерный центр Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (предприятие Росатома РФЯЦ-ВНИИЭФ в Сарове). Специалисты этого центра разработали и запатентовали уникальный оптический суперкомпьютер, который имеет большие преимущества перед традиционными ЭВМ.
Что касается конкретных задач, которые можно было бы решать с помощью фотонных вычислительных машин, то это, например, задачи по изучению генетических особенностей людей, что важно для медицины. Наноробот— это машина, которая может строить и манипулировать вещами точно и на атомном уровне. Представьте робота, который может манипулировать атомами, как ребенок — кубиками LEGO, выстраивая из базовых атомных строительных блоков что угодно (C, N, H, O, P, Fe, Ni и пр.). Хотя некоторые люди отрицают будущее нанороботов как научную фантастику, вы должны понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток. Мы даем им биологические названия вроде «рибосом», но по своей сути они — запрограммированные машины с функцией.
Итак, делая вывод к этому пункту, мы смело можем говорить о нанотехнологиях, как символе будущего, важнейшей отрасли, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации. Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В следующем вопросе, мы рассмотрим типы нанороботов и их использование.
Типы нанороботов и их использование
Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии, по мнению многих ученых, станет освоение нанотехнологий, а в частности систем очень малого размера, способных выполнять команды людей. Таких послушных существ называют нанороботами. Кстати, автором слова «робот» является чешский драматург К. Чапек, который в 1920 г. назвал этим словом придуманное им человекоподобное существо (робот — немного измененное чешское robota, которое переводится как «принудительный труд»): «Роботы — это нелюди... они механически совершеннее нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них нет души». Вообще, нанороботов очень много. Вот лишь некоторые из них (Самые малые из возможных двигателей. Группа физиков из Университета Майнца в Германии недавно построила самый маленький двигатель в истории из одного атома. Как и любой другой, этот двигатель преобразует тепловую энергию в движение — но делает это на самых малых масштабах. Атом находится в ловушке в конусе электромагнитной энергии, а с помощью лазеров его нагревают и охлаждают, что приводит к движению атома в конусе вперед и назад, будто поршня двигателя. 3D-движущиеся наномашины из ДНК. Инженеры-механики из Университета штата Огайо спроектировали и построили сложные наноразмерные механические части, используя «ДНК-оригами» — доказав, что одни и те же основные принципы проектирования, которые применяются к полноразмерным машинам, можно применить и к ДНК —и может производить сложные, управляемые компоненты для будущих нанороботов. Наноплавники. Ученые ETH Zurich и Technion разработали эластичный «наноплавник» в виде полипирроловой (Ppy) нанопроволоки длиной в 15 микрометров (миллионных метра) и толщиной в 200 нанометров, который может двигаться через биологическую жидкость на скорости 15 микрометров в секунду. Наноплавники можно приспособить для доставки лекарств и с помощью магнитов проводить их через кровоток к целевым раковым клеткам, например. Муравьиный нанодвигатель. Ученые Кембриджского университета разработали крошечный двигатель, способный оказывать силу, в 100 раз превышающую собственный вес, на любой мускул. Новые нанодвигатели могут привести к нанороботам, которые достаточно малы, чтобы проникать в живые клетки и бороться с заболеваниями, считают ученые. Профессор Джереми Баумберг из Лаборатории Кавендиш, руководящий исследованием, назвал это устройство «муравьем». Подобно настоящему муравью, оно может оказывать силу, во много раз превышающую собственный вес. Микророботы по типу сперматозоидов. Группа ученых из Университета Твенте (Нидерланды) и Немецкого университета в Каире (Египет) разработала микророботов по типу сперматозоидов, которыми можно было бы управлять за счет осциллирующих слабых магнитных полей. Их можно было бы использовать для сложных микроманипуляций и целевых терапевтических задач. Роботы на основе бактерий. Инженеры Университета Дрекселя разработали способ использования электрических полей, чтобы помогать микроскопическим роботам, работающим от бактерий, обнаруживать препятствия и перемещаться по ним. Область применения включает доставку лекарств, манипуляцию стволовыми клетками для направления их роста или строительство микроструктур. Наноракеты. Несколько групп исследователей недавно построили высокоскоростную версию наноразмерных ракет с дистанционным управлением, объединив наночастицы с биологическими молекулами. Ученые надеются разработать ракету, способную работать в любой среде; например, для доставки лекарства в целевую область тела.
Таким образом, выделенные нами типы нанороботов и возможности их использования, дают нам право на рассмотреть следующий пункт нанороботы в нашем будущем.
Нанороботы в нашем будущем
Питер Диамандис, известный предприниматель и инженер, глава и учредитель Фонда X-Prize, Planetary Resources и других инициатив, изложил свое видение на тему того, что происходит в лабораториях по всему миру, и какие потенциальные применения нанотехнологий ожидают сферу здравоохранения, энергетики, защиты окружающей среды, науки о материалах, хранение данных и их обработку. Нанотехнологии являются символом будущего и одним из векторов развития цивилизации. Их использование возможно практически в любых сферах человеческой жизни. На сегодняшний день многие ученые стремятся создать нанороботов – машины, которые смогут работать на атомном и молекулярном уровнях. Такое изобретение даст возможность производить молекулярные материалы. На сегодняшний день созданы некоторые компоненты будущих молекулярных машин, проводятся различные конференции, посвященные вопросу создания нанороботов. Нанороботы или наноботы — роботы размером, сопоставимые с молекулой (менее 10 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Такие необычные изобретения человечества могут помочь в решении сложных задач, однако на данный момент разработки находятся на научно-исследовательской стадии. Хотя уже созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Перспективы создания нанороботов просто фантастические. Например, за счёт внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и «облагораживающих» ткани организма можно будет достигнуть бессмертия человека, не говоря об оживлении и излечении безнадежно больных и людей, которые были заморожены методами крионики. В медицине появление нанороботов приведет к полному излечению организма человека. Их можно будет запустить в тело. Правильно запрограммированные машины начнут уничтожать вирусы и другие вредные вещества, находящиеся внутри организма. С помощью нанотехнологий можно придать красивый и здоровый вид коже человека. В промышленности произойдёт замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Замена произойдёт и в сельском хозяйстве: комплексы из молекулярных роботов придут на смену «естественным машинам» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Можно будет, например, делать кислород или воду. Также в хозяйственной сфере они смогут создавать продукты питания, топливо и участвовать в других процессах, обеспечивающих жизнедеятельность человека. В экологии электронные машины помогут прекратить загрязнение планеты. С их помощью можно будет проводить очищение воды, воздуха и других жизненно важных источников здоровья человека. Не говоря о том, что такие нанороботы смогут сами себя создавать. И это далеко неполный перечень полезных для человечества свойств нанороботов. Надеемся в недалёком, будущем они изменят наш привычный мир, сделают его лучше и совершеннее.
И в заключении, мне бы хотелось подчеркнуть слова известного американского ученого Эрика Дрекслера, которого называют отцом нанотехнологий: «Общество господства нанотехнологий – это общество индивидуалистов, где каждый получает возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни». Человеку свойственно на протяжении всего своего существования мечтать и придумывать способы, как превратить фантазии в реальность. Развитие науки и техники – это почти всегда воплощение той или иной мечты человека. Сегодня многое из того, что в прошлые века считалось сказкой, стало повседневным и обыденным.
О сегодняшнем положении дел в области российских и мировых разработок можно посмотреть онлайн в документальном фильме Александра Касьянова «Мир нанотехнологий». Где рассматриваются: история, перспективы развития, проблемы. Какие возможности дадут людям нанотехнологии? Какие проблемы?
Эксперимент, анализ и обобщение
В целях выявления уровня знаний школьников в области нанотехнологий и особенностей восприятия нанотехнологических процессов было проведено исследование среди учащихся 8 классов МБОУ «СОШ №11» ИГОСК.
В исследовании приняли участие 45 учащихся. Среди задач исследования можно выделить следующие: выявить уровень адекватного восприятия результатов нанотехнологической модернизации, выяснить, что знают учащиеся о нанотехнологиях, выявить уровень знаний и грамотности в области нанотехнологий, установить основные источники информации о нанотехнологиях, узнать отношение современной молодежи к нанотехнологиям. Итак, мною была разработана анкета с вопросами по теме:
|
№ |
Вопросы |
Ответ положительный |
Ответ отрицательный |
|
1 |
Знаете ли вы, что такое нанотехнология? |
||
|
2 |
Если да, то какой Ваш уровень знаний? Нет знаний Очень мало знаний Мало знаний Хорошие знания Очень хорошие знания |
||
|
3 |
Откуда Вы слышали о нанотехнологиях? Никогда не слышал Слышал в школе, по месту проживания Слышал по телевидению Читал в газетах Читал в книгах Рассказали сверстники и родители Видел в Интернете Другое |
||
|
4 |
Считаете ли Вы, что внедрение нанотехнологий - это прорыв в истории и скажется ли на Вашей жизни? Да, в недалеком будущем, практически через 1–5 лет Да, в далеком будущем, в 2025– 2035 годах Нет, никогда Не знаю |
Первый вопрос анкеты: «Знаете ли Вы, что такое нанотехнологии?». Положительный ответ на этот вопрос дали 87% учащихся, и лишь 13 % указали на отсутствие знаний. Целью вопроса «Если да, то каков Ваш уровень знаний?» было установить глубину знаний о нанотехнологиях. Наибольшее количество учащихся (49%) имеют некоторые знания, 30% мало проинформированы, а 15% очень мало знают, о нанотехнологиях. Хорошее знание 2% учащихся. Отсутствие знаний, указали по 2% респондентов (рис. 1).
Рис.1 - Глубина Знаний о нанотехнологиях
Для установления источников информации был сформулирован вопрос «Откуда Вы слышали о нанотехнологиях?». Для ответа были предложены следующие варианты: «Никогда не слышал»; «Слышал в школе, по месту проживания; «Слышал по телевидению»; «Читал в газетах»; «Читал в книгах»; «Рассказали сверстники и родители»; «Видел в Интернете»; «Другое». Лидирующие позиции среди источников занимают телевидение, Интернет и учебные заведения. Телевидение как источник информации указали 46% опрошенных, учебные заведения – 30%, Интернет – 14% (рис. 2).
Рис. 2 - Источники информации
Хочется отметить, что 2% студентов специально интересовались нанотехнологиями. Можно сделать вывод, что основную часть сведений о нанотехнологиях сверстники получают из средств массовой информации, и, следовательно, именно они оказывают наибольшее влияние на восприятие рисков и выгод использования нанотехнологий. Для ответа на вопрос: Считаете ли Вы, что внедрение нанотехнологий - это прорыв в истории и скажется ли на Вашей жизни? были предложены следующие варианты: «Да, в недалеком будущем, практически через 1–5 лет»; «Да, в далеком будущем, в 2025– 2035 годах»; «Нет, никогда»; «Не знаю». 33% считают, что это произойдет в ближайшем будущем, т. е. через 1–5 лет. 41% уверен, что это произойдет через 15–20 лет. И только 6% отметили невозможность проникновения нанотехнологий в свою жизнь. (20% учащихся) не смогли однозначно ответить на этот вопрос (рис. 3).
Рис. 3 – Личное мнение
Таким образом, по результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Для адекватного восприятия результатов нанотехнологической модернизации недостаточно информации о нанотехнологиях, получаемой школьниками из всех доступных источников. 2. Информация, поступающая через СМИ, носит новостной либо рекламный характер и не имеет научной составляющей, что не позволяет получить знания в области нанотехнологий и не способствует адекватному восприятию. 3. Восприятие обществом результатов нанотехнологической модернизации должно быть адекватным, т. к. общественное мнение оказывает большое влияние на развитие нанотехнологий.
Заключение
Мы считаем, что нам удалось доказать сформулированную тему исследования: «Нанотехнологии - в нашей жизни» и в теоретической части работы выяснить, что:
В последние годы нанотехнологии стали рассматриваться в качестве одного из главных приоритетов, входящих во все жизненно важные сферы деятельности человека.
Нанотехнологии затронули все стороны науки и техники, производства, быта, социального, медицинского обслуживания.
Использование инновационных материалов XXI века позволит воплощать в реальность самые немыслимые проекты.
Результаты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотехнологии уже достигнуты.
Появились и внедрены в различные отрасли и запущен выпуск массового производства с использований нанотехнологий технологий массового производства.
В ходе практического исследования мы выяснили что: у школьников адекватный уровень восприятия результатов нанотехнологической модернизации, выяснили, что учащиеся в недостаточной мере знают о нанотехнологиях, выявили средний уровень знаний в области нанотехнологий, установили основные источники информации о нанотехнологиях, узнали о положительном отношение современной молодежи к нанотехнологиям.
Список использованной литературы
Разумовская, И.В. Нанотехнология: учебное пособие / И. В. Разумовская – Москва: Издательство «Дрофа», 2010. - 154 с.
Рыбалкина, Н. М. Нанотехнологии для всех / Н. М. Рыбалкина - Москва: Издательство «Дрофа», 2010. - 444 с.
Журнал «Российские нанотехнологии» (дата обращения 20.12.2019) – текст электронный.
Российский электронный наножурнал (дата обращения 22.12.2019) – текст электронный.
NanoNewsNet — новости нанотехнологий (дата обращения 20.12.2019) – текст электронный.
Центр Нанотехнологий Росатома (дата обращения 21.12.2019) – текст электронный.
Журнал «ЛЕСПРОМинформ» (дата обращения 19.12.2019) – текст электронный.
Журнал «Технологии строительства» (дата обращения 22.12.2019) – текст электронный.
Научно-популярная статья (дата обращения 19.12.2019) – текст электронный.