V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нанотехнологии в школьной лаборатории
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Цель работы:
Получение нанообъекта в школьной лаборатории и исследование его свойств.
Задачи:
Найти информацию в различных источниках о нанотехнологии, ее объектах;
Собрать информацию об областях применения этих веществ;
Получить ферромагнетики в школьной лаборатории, исследовать их свойства;
Сделать выводы по проведенным исследованиям.
1. Введение
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Более 100 лет назад знаменитый физик Макс Планк впервые приоткрыл дверь в мир атомов и элементарных частиц.Его квантовая теория позволила предположить, что эта сфера подчинена новым, удивительным законам.
2.1 Что скрывается под приставкой «нано»
В последние годы в заголовках газет и журнальных статьях мы всё чаще встречаем слова, начинающиеся с приставки «нано». По радио и телевидению практически ежедневно нам сообщают о перспективах развития нанотехнологий и первых полученных результатах. Что же означает слово «нано»?[4] Оно происходит от латинского nanus – «карлик» и буквально указывает на малый размер частиц. В приставку «нано» учёные вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть. Например, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, или 0,0000000001м (10-9м)
2.2 Нанотехгология как наука.
Повышенный интерес исследователей к нанообъектам вызван обнаружением у них необычных физических и химических свойств, что связано с проявлением так называемых «квантовых размерных эффектов». [7]Эти эффекты вызваны тем, что с уменьшением размера и переходом от макроскопического тела к масштабам нескольких сот или нескольких тысяч атомов, плотность состояний во внешней зоне и в зоне проводимости резко изменяется, что отражается на свойствах обусловленных поведением электронов, в первую очередь магнитных и электрических. Имевшаяся в макромасштабе «непрерывная» плотность состояний заменяется на отдельные уровни, с расстояниями между ними, зависимыми от размеров частиц. В таких масштабах материал перестает демонстрировать физические свойства присущие макросостоянию вещества или проявляет их в измененном виде. Благодаря такому размерно-зависимому поведению физических свойств и не типичности этих свойств по сравнению со свойствами атомов с одной стороны, и макроскопических тел с другой, наночастицы выделяют в отдельную, промежуточную область, и нередко называют «искусственными атомами»
2.3 История развития нанотехнологий[8]
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.
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, в которой оценивались перспективы миниатюризации.
1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает примерно "старичок".
1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;
создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу;
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.
В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством.
2.4 Применение.[5]
В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в развитых странах: Японии, Франции, Великобритании, Израиле. Ферромагнитные жидкости используются для создания жидких уплотнительных устройств вокруг вращающихся осей в жёстких дисках. Ферромагнитная жидкость также используется во многих динамиках для высоких частот, для отвода тепла от звуковой катушки.[2]
Текущие применения:
Термозащита;
Оптическая защита (видимый свет и УФ-излучение);
Чернила для принтеров;
Носители для записи информации.
Перспектива на 3—5 лет:
Направленный перенос лекарственных препаратов;
Генная терапия;
Нанокомпозиционные материалы для автомобильной промышленности;
Легкие и противокоррозионные нанокомпозиционные материалы;
Нанотехнология для производства пищевых продуктов, косметики и других предметов быта.
Долгосрочная перспектива:
Применение нанотехнологии в энергетике и топливной промышленности;
Нанотехнология средств защиты окружающей среды;
Использование нанотехнологии для изготовления протезов и искусственных органов;
Использование наночастиц в интегральных наноразмерных датчиках;
Нанотехнология в космических исследованиях;
Синтез наноматериалов в жидких неводных средах;
Использование наночастиц для очистки и обеззараживания.
3. Практическая часть
3.1 Лабораторный опыт №1
Получение наночастиц серебра.
В коническую колбу налили 10мл дистиллированной воды, добавив 1мл 0,1 М раствора нитрата серебра и одну каплю 1%-го раствора танина (он выступает в роли восстановителя). Нагрели раствор до кипения и добавили к нему по каплям при перемешивании 1%-й раствор карбоната натрия. Образуется коллоидный раствор серебра оранжево-жёлтой окраски.
Уравнение реакции: FeCl3+K4Fe(CN)6K3Fe(CN)6+KCl.
3.2 Лабораторный опыт №2
Получение наночастиц берлинской лазури.
Налили в колбу 10мл дистиллированной воды и добавили в нее 3мл 1%-го раствора желтой кровяной соли и 1мл 5%-го раствора хлорида железа(III). Выделившийся синий осадок отфильтровали. Часть его перенесли в стакан с дистиллированной водой, добавили в него 1мл 0,5%-го раствора щавельной кислоты и перемешали взвесь стеклянной палочкой до полного растворения осадка. Образуется ярко синий золь, содержащий наночастицы берлинской лазури.
3.3 Лабораторный опыт №3
Получим ФМЖ в лаборатории.
Взяли масло (подсолнечное), а также тонер для лазерного принтера (субстанция в виде порошка). Смешали оба ингредиента до консистенции сметаны.
Для того чтобы эффект был максимальным, нагрели получившуюся смесь на водяной бане в течение приблизительно получаса, не забывая при этом её помешивать.
Сильным намагничиванием обладает далеко не каждый тонер, а только двухкомпонентный – содержащий в составе девелопер. Значит нужно выбирать наиболее качественный.
3.4 Взаимодействие магнитной жидкости с магнитным полем.
Магнитная жидкость взаимодействует с магнитным полем следующим образом: если поднести магнит сбоку, то жидкость полезет на стенку и может подняться за магнитом как угодно высоко. Меняя направление движения магнитной жидкости, можно создать рисунок на стенке сосуда. Движение магнитной жидкости в магнитном поле можно наблюдать и на предметном стекле. Магнитная жидкость, налитая в чашку Петри, заметно вспучивалась при поднесении магнита, но не покрывалась шипами. Нам удалось воспроизвести только с готовой магнитной жидкостью МФ-01(производитель – ООО«НПО «Сантон»). Для этого налили магнитную жидкость тонким слоем в чашку Петри и поднесли к ней один магнит, затем несколько магнитов. Жидкость меняет свою форму, покрываясь «шипами», напоминающими колючки ежа.
3.5 Эффект Тиндаля
Добавили в дистиллированную воду немного магнитной жидкости и тщательно перемешали раствор. Пропустили через стакан с дистиллированной водой и через стакан с полученным раствором луч света от лазерной указки. Лазерный луч проходит через воду, не оставляя следа, а в растворе магнитной жидкости оставляет светящуюся дорожку. Основа появления конуса Тиндаля – рассеяние света коллоидными частицами, в данном случае частицами магнетита. Если размер частицы меньше длины полуволны падающего света, то наблюдается дифракционное рассеяние света. Свет огибает частицы и рассеивается в виде волн, расходящихся во все стороны. В коллоидных системах размер частиц дисперсной фазы составляет10-9 - 10-7 м, т.е. лежит в интервале от нанометров до долей микрометров. Эта область превосходит размер типичной малой молекулы, но меньше размера объекта, видимого в обычном оптическом микроскопе.
3.6 Изготовление «магнитной» бумаги
Взяли кусочки фильтровальной бумаги, пропитали их магнитной жидкостью и высушили. Наночастицы магнитной фазы, заполнив поры бумаги, придали ей слабые магнитные свойства – бумага непосредственно притягивается к магниту. Нам удалось с помощью магнита вытащить из стакана через стекло фигурку, изготовленную из «магнитной» бумаги.
3.7 Исследование поведения магнитной жидкости в этаноле
В этиловый спирт добавили небольшое количество полученной нами магнитной жидкости. Тщательно перемешали. Наблюдали за скоростью оседания частиц магнетита. Частицы магнетита осели за 2-3 минуты вне магнитного поля. Интересно ведет себя магнетит, осевший в этаноле – он компактно в виде сгустка перемещается вслед за магнитом, не оставляя следа на стенке пробирки. Оставленный в таком положении, он сохраняет его в течение длительного времени вне магнитного поля.
3.8 Опыты по удалению с поверхности воды загрязнений из машинного масла
В воду налили немного машинного масла, затем добавили небольшое количество магнитной жидкости. После тщательного перемешивания дали смеси отстояться. Магнитная жидкость растворилась в машинном масле. Под действием магнитного поля пленка из машинного масла с растворенной в нем магнитной жидкостью начинает стягиваться к магниту. Поверхность воды постепенно очищается.
3.9 Сравнение смазочных свойств машинного масла и смеси машинного масла с магнитной жидкостью
Поместили в чашки Петри машинное масло и смесь машинного масла с магнитной жидкостью. Поместили в каждую чашку постоянный магнит.
Наклоняя чашки, перемещали магниты и наблюдали за скоростью их перемещения. В чашке с магнитной жидкостью магнит перемещался несколько легче и быстрее, чем в чашке с машинным маслом. Отдельные наночастицы, содержащие не более 1000 атомов, называют кластерами. Свойства таких частиц значительно отличаются от свойств кристалла, в котором содержится огромное количество атомов. Это объясняется особой ролью поверхности, ведь реакции с участием твердых тел происходят не в объёме, а на поверхности.
4. Вывод
Магнитная жидкость (ферромагни́тная жи́дкость, феррофлюид) представляет собой устойчивую коллоидную систему, состоящую из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. По свойства ферромагнитная жидкость напоминает «жидкий металл» - реагирует на магнитное поле и находит широкое применение во многих отраслях. Таким образом, изучив свойства ферромагнитной жидкости нам удалось получить нанообъекты в школьной лаборатории.
5. Список литературы
Брук Э. Т., Фертман В. Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. Минск, Вышейшая школа, 1983.
Штанский Д. В., Левашов Е. А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки: проблемы и решения. Изв. ВУЗов. Цветная металлургия № 3, 52 (2001).
http://teslacoil.ru/himiya/ferroflyuid/
http://khd2.narod.ru/technol/magliq.htm.
http://nanoarea.ru/index.php/dispersia-pokritia/140-obzor-primenenii
http://dic.academic.ru
http://magneticliquid.narod.ru/applications/011.htm
http://khd2.narod.ru/technol/magliq.htm
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ferrofluid_Magnet_under_glass_edit.jpg?uselang=ru
6.Приложение
6. Фото с экспериментов