XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нанотехнологии в современном мире
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Если спросить любого учёного, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии, ответ будет краток: «Нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше».
Учёные утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Например, крохотные нанороботы, способные проникнуть в любую клетку человеческого организма, смогут быстро лечить те или иные болезни и производить такие операции, которые не под силу даже самому опытному хирургу.
Благодаря нанотехнологиям появятся «умные дома». В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут «умные вещи» и «умная пыль». Люди станут носить одежду, которая не пачкается, более того, сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ.
Нанотехнологии позволят изобрести компьютерную технику и мобильные телефоны, которые можно будет складывать, как носовой платок, и носить в кармане.
Словом, учёные-нанотехнологи действительно намерены существенно преобразить жизнь человека.
Таким образом я сформулировала исследовательскую тему
«Нанотехнологии в современном мире». Меня заинтересовала эта тема, потому что в будущем нам жить и работать с нанотехнологиями, а на сегодняшний день нам очень мало, что известно об этом. Я считаю, что сегодня – это самая актуальная проблема, потому что она направлена на наше с вами будущее. И я решила начать изучать и исследовать технологии будущего - уже сегодня.
Актуальность работы: изучение физики началось с 7 класса. Мне этот предмет стал настолько интересным, что я решила глубже изучать его. Если я, изучив свойства неньютоновской жидкости, смогу рассказать о них своим одноклассникам, то это не только повысит их интерес к предмету, но и возможно, приведёт к желанию самостоятельно изучать другие темы, а так же проводить посильные эксперименты.
Тема научно-исследовательской работы:«Нанотехнологии в современном мире»
Цель работы:
1. Разобраться в сущности понятия «нанотехнология», раскрыть суть нанонауки.
2. Понять, как человек реализует огромный потенциал нанонауки в повседневной жизни, её перспективы и будущее.
3. Изучить, что представляет неньютоновская жидкость и какими необычными свойствами обладает.
Задачи исследовательской работы:
1. Выяснить значение термина «нанотехнология».
2. Найти примеры применения нанотехнологий в быту.
3. Узнать о необычных свойствах жидкостей.
Доказать, что в домашних условиях можно сделать неньютоновскую жидкость.
Провести эксперименты, демонстрирующие необычные свойства неньютоновской жидкости.
Предположить, где можно использовать свойства таких жидкостей.
Рассказать сверстникам о неньютоновской жидкости и её свойствах.
Объект исследования: неньютоновская жидкость
Предмет исследования: свойства неньютоновской жидкости.
Гипотеза: Изучая нанотехнологии, мы все больше расширяем область их применений – от медицины до космических исследований.
1.Теоретическая часть проекта
1.1. Что такое нанотехнологии?
Что же такое нанотехнологии? И как именно они позволяют менять свойства вещей?
Слово «нанотехнологии» состоит из двух слов — «нано» и «технологии».
«Нано» — греческое слово, означающее одну миллиардную часть чего-нибудь, например, метра. Размер одного атома немного меньше нанометра. А нанометр настолько меньше метра, насколько обыкновенная горошина меньше земного шара. Если бы рост человека был один нанометр, то толщина листа бумаги показалась бы человеку равной расстоянию от Москвы до города Тулы, а это целых 170 километров!
Слово «технологии» означает создание из доступных материалов того, что необходимо человеку. А нанотехнологии — это создание того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов. Учёные договорились считать наночастицами все, что имеет размер от одного до ста нанометров.
Существует два способа получения наночастиц.
Первый, более простой, метод — «сверху вниз». Исходный материал измельчают разнообразными способами до тех пор, пока частица не станет наноразмерной.
Второй — получение наночастиц путём объединения отдельных атомов, «снизу вверх». Это более сложный способ, но именно за ним учёные видят будущее нанотехнодогий. Получение наночастиц этим способом напоминает работу с конструктором. Только в качестве деталей используются атомы и молекулы, из которых учёные создают новые наноматериалы и наноустройства.
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.
Примером первого использования нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.
В настоящее время нанотехнология является одним из приоритетных направлений развития Российской науки.
1.2. Нанотехнологии в быту
Нанотехнологии находят применение в разных сферах жизнедеятельности человека. Перечислить все области, в которых эта глобальная технология применяется, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них.
Как оказалось, нанотехнологии часто встречаются в быту, они повсюду, просто мы об этом не знаем.
Все мы используем мыло, без которого уже не представляем личную гигиену. Никто даже не догадывается, что мыло – продукт нанотехнологии, но один из самых простых. Мыло содержит мицеллы, небольшие наночастицы, которые используются и для производства других популярных косметологических средств. Любителям солнца и шоколадного загара также помогают нанотехнологии. Солнцезащитные крема и лосьоны создаются с добавлением частиц, которые насыщают кожу витаминами и защищают ее от вредного воздействия.
Нанотехнологии немаловажную роль сыграли и в развитии моды. С применением новейших технологий производятся лыжные куртки. Они очень хорошо сохраняют тепло, не пропускают ветра и не мокнут. Также наночастицы используют при создании иной спортивной одежды, которая не мнется, устойчива к загрязнениям и ненастьям.
В теннисе нанотехнологии сыграли важную и одну из главных ролей. Наночастицы содержаться в теннисных ракетках и мячиках. Благодаря им, они стали гораздо легче, мячи более прыгучими и быстрыми.
Нанотехнологии стали популярными при разработке и выпуске сантехники. Наночастицы позволяют создавать особое покрытие, которое долго сохраняет свой товарный блестящий вид и очень легко чистится.
Мы даже не подозреваем, что нанотехнологии помогают нам в повседневной жизни при работе с компьютерами и интернетом. Наночастицы используются для увеличения параметров памяти жестких дисков. Благодаря разработкам, появились ноутбуки, нетбуки, айфоны, смартфоны и многие другие современные гаджеты. Нашим автомобилям также значительно помогло развитие наночастиц. Ими производители покрывают поверхности детали и они служат гораздо дольше.
Кусочек лейкопластыря, которым мы заклеиваем порез на руке, имеет нанослой серебра, помогающий быстрее залечивать рану. Это потому, что серебро имеет антибактериальные свойства, которые действуют лучше с повышением площади поверхности, что обеспечивается наночастицами.
Значение нанотехнологий в жизни каждого человека огромно. Чем комфортнее становится жизнь, тем больше ученые смогли узнать об этих очень малых частицах.
1.3. Неньютоновская жидкость
Ньютоновская жидкость – это вода, масло и большая часть привычных нам в ежедневном использовании текучих веществ, то есть таких, которые сохраняют свое агрегатное состояние, что бы вы с ними не делали.
Неньютоновскими называют жидкости, течение которых не подчиняется закону Ньютона.
Еще в конце XVII века великий физик Ньютон обратил внимание, что грести веслами быстро гораздо тяжелее нежели, если делать это медленно. И тогда он сформулировал закон, согласно которому вязкость жидкости увеличивается пропорционально силе воздействия на нее.
Простейшим наглядным бытовым примером может являться смесь крахмала с небольшим количеством воды. Чем быстрее происходит внешнее воздействие на взвешенные в жидкости макромолекулы связующего вещества, тем выше её вязкость.
Таких, аномальных с точки зрения гидравлики, жидкостей немало. Они широко распространены в нефтяной, химической, перерабатывающей, военной и других отраслях промышленности. К неньютоновским жидкостям можно отнести буровые растворы, сточные грязи, масляные краски, зубную пасту, кровь, жидкое мыло и др.
Свойства неньютоновской жидкости широко применяются в военной промышленности при изготовлении молекулярных бронежилетов, умного пластилина «хэндгам», а также
снаряжение для зимних видов спорта, чехлы для iPhone.
2. Экспериментальная часть проекта
2.1Приготовление раствора
Для приготовления нам нужны крахмал (картофельный, кукурузный — любой) и вода. Пропорция зависит от качества крахмала и обычно составляет
от 1:1 до 1:3 в пользу воды. В результате смешивания мы получаем нечто типа киселя, обладающего интересными свойствами. (Приложение 1)
2.2 Исследование неньютоновской жидкости
Изменение скорости течения жидкости.
Опыт №1. Так, если в ёмкость со смесью медленно ввести руку, то результат точно такой же, как если бы мы ввели руку в воду. Но если размахнуться как следует и стукнуть по этой смеси, то рука отскочит, как если бы это было твёрдое вещество.
Опыт №2. Если лить такую смесь с достаточной высоты, то в верхней части струи она будет течь, как жидкость. А в нижней — скапливаться комками, как твёрдое вещество.
Опыт №3. Кроме того, можно засунуть руку в жидкость и резко сжать пальцы. Можно почувствовать, как между пальцами образовалась твёрдая прослойка.
Опыт №4. Или ещё один эксперимент — сунуть руку в этот "кисель" и резко попытаться её вытянуть. Большая вероятность, что ёмкость поднимется вслед за рукой.
Опыт №5. Когда быстро воздействовать на жидкость, катать как бы шарик из воды, то он получится на самом деле, благодаря неньютоновской жидкости. (см. приложение 1)
По результатам этих опытов можно сделать следующий вывод, если на них воздействовать резко, сильно, быстро - они проявляют свойства, близкие к свойствам твердых тел, а при медленном воздействии становится жидкостью.
Основываясь на свойствах неньютоновской жидкости, я хочу предложить несколько способов ее использования.
1. Изготовление контейнеров для транспортировки и хранения легко бьющихся стеклянных предметов (стекло, посуда, елочные игрушки и др.)
2. Использование неньютоновской жидкости при изготовлении защитных средств (наколенники, налокотники, шлемы и др.) для спортсменов, а так же их применении при обучении маленьких детей ходьбе.
У неньютоновской жидкости есть существенный недостаток: жидкость утрачивает свои свойства, когда из нее испаряется вода. Мною было проведено исследование, в результате которого я выяснила, что свойства сохраняются 2-5 дней в зависимости от температуры окружающей среды.
|
Температура окружающей среды |
Количество дней, в течение которых свойства сохраняются |
|
20°С |
5 дней |
|
22°С |
4 дня |
|
25°С |
2 дня |
Вывод: чем ниже температура окружающей среды, тем медленнее испаряется вода и тем дольше сохраняются свойства неньютоновской жидкости.
Выводы
В процессе работы над проектом я изучила материал, который наглядно показывает перспективы и использование нанотехнологий в современном мире.
В настоящее время получен ряд исключительно важных результатов, которые позволяют надеяться на существенный прогресс в развитии многих направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.).
Нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. Какими будут результаты этих изменений – полезными, облегчающими жизнь, или вредными, угрожающими человечеству – зависит от взаимопонимания и разумности людей. А взаимопонимание и разумность напрямую зависят от уровня гуманности, предполагающей ответственность человека за свои поступки. Поэтому важной необходимостью в настоящее время становится воспитание человеколюбия. Только разумные и гуманные люди могут превратить нанотехнологии в ступеньку к познанию Вселенной и своего места в этой Вселенной.
Литература
Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. – М.: УРСС, 2005, – 444 с.
Третьякова Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. 2-е изд. – М.: Физматлит, 2010, 368 с.
II. Электронные ресурсы:
https://ru.wikipedia.org
http://www.facepla.net
http://planet-wor ks.3dn.ru
https://m.youtube.com/watch?v=6lDNR3UGPcw
http://www.marketgid.com
exfun.ru/blog/wow/447.html
Приложение 1. Опыты с неньютоновской жидкостью.