VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Геккон и нанотехнологии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды по телевизору я увидел сюжет о гекконе, бегающем по стенам и потолку. Это было захватывающее зрелище. Эти маленькие тропические ящерицы вызвали мое восхищение своим умением удерживаться практически на любой поверхности. Гекконы способны карабкаться по крутым склонам, взбираться по гладкой стене со скоростью 1 м за секунду и даже бегать вверх тормашками по потолку из полированного стекла. При этом, находясь на стене, гекконы могут поддерживать вес тела всего одной лапкой. Альпинисты могут только позавидовать таким трюкам. Оказалось что эта удивительная способность геккона каким-то образом связана с нанотехнологиями. Я задался вопросам, почему гекконы не падают, что помогает им удерживаться на поверхности и что общего у геккона и нанотехнологий?
Цель работы - выяснить причину способности геккона удерживаться на любых вертикальных поверхностях, а также найти связь между гекконами и нанотехнологиями.
Объект исследования – поверхность лапы геккона.
Предмет исследования – применение способности гекконов удерживаться на любой поверхности в нанобиотехнологии.
Проблема: что может быть общего у геккона и нанотехнологий.
Гипотеза – создание высокотехнологичных наноматериалов основывается на особенностях строения лапок геккона.
Задачи:
1. изучить научную литературу по данной проблеме;
2. провести анкетирование среди одноклассников, выяснить, насколько актуальна тема проекта;
3. узнать, кто такой геккон и чем он уникален;
4. рассмотреть строение лап геккона и механизм, который помогает ему удерживаться на вертикальных поверхностях;
5. выяснить, что такое нанотехнологии и зачем они нужны;
6. найти информацию о « геккеле» и других материалах будущего;
Методы исследования:
1. Поисковый;
2. Анализ;
3. Анкетирование.
Практическая часть
Актуальность темы среди одноклассников
Я считаю данную тему актуальной, так как в последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Ученые утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Поэтому я предположил, что данная тема интересна не только мне, но и многим ребятам. Чтобы убедиться в этом, я решил провести анкетирование среди своих одноклассников. Были опрошены 23 человека. Анкета содержала следующие вопросы:
1.Знаете ли вы кто такие гекконы и что такое «эффект геккона»?
Ответы были следующими:
а) тропические ящерицы, способные передвигаться по гладким вертикальным поверхностям- 23 ученика
в) морские животные, способные издавать звуки на частоте 52 Гц –
0 человек
с) ядовитое насекомое -0 человек
2.Знаете ли вы что такое нанотехнологии?
а) да -19 учеников
в) нет- 4 ученика
3.Что означает слово «нано»?
а) одну девятую часть - 3 ученика
в) одну сотую часть – 5 учеников
с) одну миллиардную часть -15 учеников
4 .Какие ученые занимаются изучением и созданием наноматериалов:
а) философы и филологи- 4 ученика
в) социологи и экономисты-1ученик
с) физики, химики, биологи и специалисты по компьютерным наукам-17 учеников
1 ученик считает, что это нанотехнологи
5.Как вы думаете, есть ли что-то общее у геккона и нанотехнологий?
а) да, есть-15 учеников
в) нет, ничего общего- 0
с) не знаю – 8 учеников
6.Лапки геккона покрыты:
а) миллионами волосков, расщепленных на миллиарды нановолокон – 16 учеников
в) сотнями крошечных шишечек- 4 ученика
с) ничем не покрыты, совершенно гладкие – 3 ученика
7.Существует ли робот, способный самостоятельно передвигаться по гладким стенам и даже потолку?
а ) да, существует - 19 учеников
в) нет, не существует – 2 ученика
с ) только в фантастических фильмах- 1 ученик
8.Интересна ли вам эта тема?
а) да -19 учеников
в) нет – 4 ученика
Результаты анкетирования показали, что все ребята в классе знают, что гекконы, это тропические ящерицы, способные передвигаться по гладким вертикальным поверхностям. Большая часть класса, 19 человек знает, что такое нанотехнологии. 15 человек дали правильный ответ на вопрос что означает слово «нано» (одна миллиардная часть). 17 человек правильно считают, что изучением и созданием наноматериалов занимаются физики, химики, биологи и специалисты по компьютерным наукам. 15 учеников считают, что у геккона и нанотехнологий есть что-то общее, и 8 человек не знают ответа на данный вопрос. 16 ребят ответили правильно на вопрос «чем покрыты лапки геккона?» (миллионами волосков, расщепленных на миллиарды нановолокон). Большинство класса, 19 человек считают что робот, способный самостоятельно передвигаться по гладким стенам существует. Такое же количество ребят (19 человек) считают данную тему интересной. Таким образом, я делаю вывод, что моя гипотеза о том, что данная тема интересна моим одноклассникам, подтвердилась.
Глава I. Геккон: ящерица, способная бегать по потолку.
Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло. Экстраординарная способность гекконов оставалась загадкой со времен Аристотеля, который наблюдал за ними еще в IV столетии до н.э. Секрет прилипания гекконов стал темой для многих научных исследований.
Пальцы геккона прилипают практически к любому материалу (металл, древесина, стекло, гранит) при любых условиях (даже под водой или в вакууме), и при этом они никогда не загрязняются, не изнашиваются и не прилипают случайно к ненужным местам. Просто фантастика, не правда ли?
Объяснение этих способностей геккона оказалось настоящим вызовом для ученых, а поиск разгадки занял почти 100 лет. У гекконов нет желез, выделяющих секрецию, так что теория о клейких веществах отпала изначально.
Предлагалось несколько объяснений:
Присасывание? Присоски работают за счет того, что давление воздуха на одной стороне не уравновешивается, если на другой стороне есть вакуум. Лапки геккона могут прилипать к поверхности в вакууме, где нет давления воздуха, поэтому присасывание не может быть объяснением.
Электростатическое притяжение? Оно возникает между электрически заряженными объектами, например, между пластмассовой расческой, потертой тканью и маленькими кусочками бумаги. Но когда ученые создали условия, при которых любой заряд исчезал, лапки геккона все равно прилипали.
Трение? Но кератин - белок, который вырабатывается в коже, - слишком "скользкий". К тому же, трение не может объяснить передвижения по потолку.
Сцепление между шероховатыми поверхностями? Но гекконы могут прилипать даже к полированному стеклу.
Глава II. Физика в мире животных: лапа геккона
Эти ящерицы могут перемещаться, таким образом благодаря растопыренным ступням, похожим на ладони. У гекконов на пальцах есть маленькие гребни, покрытые тонкими волосками (щетинками). Волоски, в свою очередь, расщепляются на миллиарды нановолокон. Нановолокна способны легко цепляться за поверхность и так же легко отделяться от нее. Поэтому бег геккона по наклонной поверхности кажется свободным и стремительным.
В конечном итоге, ученые установили, что благодаря близкому контакту щетинок на лапках с поверхностью гекконы используют связи ближнего взаимодействия между молекулами, т.е. они прилипают посредством сил Ван-дер-Ваальса, названных так в честь голландского физика конца XIX века. Эта сила действует на очень маленьких расстояниях (между молекулами) и резко уменьшается при увеличении расстояния между поверхностями. Она начинает действовать только тогда, когда поверхности максимально близко приближаются друг к другу. Эти же силы заставляют слипаться два куска стекла, если их прислонить один к другому, по той же причине прилипают к различным предметам микроскопические блестки-глиттеры, благодаря им существует такое сложное явление, как силы поверхностного натяжения, позволяющие предметам держаться на поверхности воды и существовать мыльным пузырям.
В основе ван-дер-ваальсовых сил лежит кулоновское взаимодействие между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между ними силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Но чтобы такая слабая сила удерживала геккона на вертикальной стене, необходима огромная площадь близкого контакта между лапкой геккона и поверхностью.
Такую возможность обеспечивает сложнейшее строение лапок геккона. Используя электронный микроскоп, ученые изучали геккона Токи. Они обнаружили на его пальцах очень тонкие волоски (щетинки) длиной всего 100 микрометров, или 0,1 миллиметра (две толщины человеческого волоса). Они очень плотно размещены3 - до 14400 щетинок на 1 мм2, или около 1,5 миллиона на см2. Однако это еще не все. Каждая щетинка, в свою очередь, на конце расходится в 400-1000 ответвлений. Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой. Эти лопаточки невероятно крохотные и составляют в ширину всего 0,2 микрометра (2/10 000 миллиметра). Только задумайтесь над этими цифрами: каждая лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см2 может прикасаться к поверхности двумя миллиардами окончаний! Просто очевидное невероятное!
Чтобы разместить такое же количество человеческих волос с плот-ностью средней шевелюры, потребовалась бы площадь целого футбольного поля. Обычная лапка имела бы намного меньшую площадь близкого кон-такта, и лишь в отдельных местах молекулы лапки очень близко прибли-жались бы к поверхности. А особенная лапка геккона, благодаря плотному размещению щетинок и их разделению (на конце) до тысячи разветвлений, имеет в миллионы раз большую площадь близкого контакта, а значит, и силу прилипания (силы Ван-дер-Ваальса). Именно дизайн (геометрия), а не химический состав поверхности, позволяет геккону удерживаться даже на потолке.
При помощи специальных инструментов исследователи из нескольких американских университетов установили, что поверхность ступни геккона Токи площадью 1 см2 способна вырабатывать силу сцепления в 10 Ньютон (что соответствует 1 кг веса).
Но оказалось, что одна щетинка имеет силу притяжения в 10 раз больше, чем ожидалось, и достаточно крепка для удержания целого муравья. Теоретически, 6 миллионов щетинок геккона могут генерировать силу, достаточную для удержания навесу двух человек.
Это говорит о том, что геккону достаточно использовать всего пару процентов своих щетинок для удержания на поверхности. Такой потенциал жизненно важен ему в природной среде обитания: на неровных загрязненных поверхностях, во время тропических штормов и т.д.
Но как же при такой силе сцепления геккон отрывает свою лапку? Обладание подобной конечностью было бы бессмысленным, если бы геккон мог только прилипать - ему нужно также быстро отлипать. Поэтому еще более удивительной и впечатляющей является способность геккона прилеплять и отлеплять лапку от поверхности целых 15 раз в секунду!
Оказывается, сила прилипания изменяется в зависимости от угла между щетинкой и поверхностью. Сила взаимодействия будет намного больше, если щетинки слегка прижать к поверхности, а затем протянуть, уменьшив угол (геккон это делает, когда ставит лапку).Щетинка может открепляться под углом более 30°. Геккон управляет "прилипанием" и "отлипанием", используя необычайно сложное поведение, которое, однако, происходит без существенных затрат энергии. Еще одно интересное свойство заключается в том, что лапки геккона самоочищаются, в отличие от клейкой ленты, на которую быстро налипает грязь, приводя ее в полную негодность. Исследователи до сих пор пытаются понять, как геккону это удается.
Глава III. Что такое нанотехнологии
В последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Если спросить любого ученого, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии , ответ будет краток: «Нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше». Ученые 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.
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. Нанотехнологии начали бурно развиваться тогда, когда появился электронный микроскоп, и люди смогли увидеть наночастицы.
Потом был создан сканирующий зондовый микроскоп, и учёные смогли наночастицы «пощупать».
А сегодня с помощью зондового микроскопа исследователи могут не только изучать поверхность наночастиц, но и определять их состав и расположение атомов в наночастицах, и даже перемещать с места на место единичные атомы и молекулы.
В 1991 году были открыты углеродные нанотрубки, наночастицы с удивительным строением и уникальными свойствами. Углеродные нанотрубки – это наночастицы, состоящие из миллиона атомов углерода, расположенных в форме полой трубки. Толщина стенки такой трубки равна одному атому углерода. Открытие нанотрубок позволило учёным создавать на их основе множество самых разных наноинструментов, например: наноскальпель, наношприц, нанотермометр, нанопинцет и нановесы.
Первым из таких инструментов стал нанопинцет, состоящий из двух углеродных нанотрубок. Ими, как китайскими палочками, он может подцеплять и перемещать крупные молекулы.
Затем были произведены самые чувствительные в мире нановесы, с помощью которых можно взвесить одну молекулу, что очень важно при создании новых материалов из атомов и молекул. Компьютерные программы позволяют получить на экране монитора объёмную модель, которую можно поворачивать во все стороны и смотреть, как изменится состояние модели при повышении или понижении температуры, давления или электромагнитного поля. Компьютерные программы учитывают все законы наномира. Наноинструменты и программы компьютерного моделирования учёные постоянно используют в своей работе, и именно с их помощью создаются новые наноматериалы и наноустройства.
Глава IV. Чему можно научиться у геккона
Существует целый раздел науки — бионика (от греч. bion - элемент жизни, буквально - живущий). Бионика занимается созданием материалов, технологий, процессов и устройств, в основе работы которых использованы идеи, заимствованные у природы.
Бурное развитие нанотехнологий в последние десятилетия послужило толчком к тому, что бионика занялась созданием уникальных материалов. Благодаря новым возможностям электронной микроскопии и прогрессу в области получения и производства наноструктур, у учёных наконец-то появилась возможность воспроизводить с той или иной долей приближения строение, а значит, и свойства некоторых природных материалов, обладающих полезными, а зачастую и уникальными характеристиками.
Система, которой природа снабдила гекконов, очень эффективна, и ученые считают, что вскоре она может найти применение, например в тормозных системах автомобилей. Шины, усеянные углеродными нанотрубками, заменяющими волоски, могут появиться уже в ближайшие десять лет. Тормозной путь у машины с такой системой намного сократится.
Исследователи работают и над созданием специальных перчаток и ботинок, которые помогут людям передвигаться, подобно гекконам, по вертикальным и наклонным поверхностям. Такое снаряжение станет незаменимым у альпинистов, спасателей и всех, кто связан с работой на высоте, «Человека-паука», который с легкостью взбирается на крышу здания по стене, можно будет увидеть на улице, а не только в играх или кино.
Ученые также создали робота, способного самостоятельно передвигаться по гладким стенам и даже стеклу, как геккон. Конечности робота покрыты крошечными щетинками, которые и удерживают его на вертикальной поверхности.
Вот только у геккона, чудо-перчаток с чудо-ботинками, да и у робот есть один недостаток. Если поместить их в воду, они теряют свою чудесную «прилипчивость». Для геккона это не беда, а вот для человека проблема большая - дождь и снег не должны мешать работе новых устройств.
Тут ученые обратили внимание на мидий. Эти двустворчатые моллюски липнут ко всевозможным предметам под водой-к скалам, к другим ракушкам, к песку. Мидии выделяют особое вещество, которым жёстко прикрепляются к любым поверхностям под водой. Но мидиевый клей фиксирует поверхности очень крепко, в таких липких ботинках не побегаешь.
И тогда ученые решили соединить клей мидий со способом передвижения геккона. Была изготовлена матрица из крошечных кремниевых столбиков толщиной 400 нанометров и высотой 600 нанометров. Матрицу разместили на крошечном кусочке гибкой ленты. Получился скотч, работающий по «системе геккона». Исследователи покрыли эти столбики слоем мидиевого клея. Получился новый материал, который назвали «гекель» (geckel- от английских слов gecko- «геккон» и mussel- «мидия»).
Ученые уверены, что этот материал вскоре будет применяться в самых разных областях человеческой деятельности. Особенно он пригодится в медицине при создании совершенно нового типа пластырей.
Заключение
Людям свойственно стремление подражать природе и учиться у неё. Тому есть множество примеров из разных эпох — от восковых крыльев Икара, чешуйчатых доспехов римских легионеров или летательных машин Леонардо да Винчи до современных застёжек-липучек, работающих по принципу прилипания колючек репейника, которые позволяют быстро застегнуть курт-ку или кроссовки. Изучая материал по данной теме, я разгадал «загадку гек-кона» и выяснил, что же помогает ему удерживаться на любых вертикальных поверхностях. Я выяснил, что существует связь между гекконами и нано-технологиями. Я узнал о том, что такое «нанотехнологии» и зачем они нужны. Таким образом, моя гипотеза о том, что знание о механизме строения лапок геккона, можно использовать при создании современных высоко-технологичных наноматериалов, подтвердилась.
Вывод:
геккон может бегать по потолку, божья коровка способна без труда передвигаться по гладкому оконному стеклу. Таких примеров еще множество. Природа наделила этих существ особой техникой сцепления с поверхностью. Человек, благодаря изобретению сверхмощных электронных микроскопов, может заглянуть вглубь природы, изучить ее уникальные свойства и использовать их в своих целях. Бионика - это технология будущего. Чем глубже ученые проникают в микроскопические разделы природного мира, тем больше секретов они узнают. Чем дальше продвигается вперед нанотехника, тем проще ученым имитировать существующие в природе мельчайшие структуры
Список использованной литературы:
1. Занимательные нанотехнологии/ М.М. Алфимова. – М.:
Парк-медиа: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.-96с.: ил.
Интернет-ресурсы:
http://www.origins.org.ua/page.php?id_story=409
https://www.gazeta.ru/science/2008/01/31_a_2616460.shtml?updated
http://popnano.ru/analit/index.php?task=view&id=132
http://n1.by/news/2011/11/02/194973.html
http://mfina.ru/nanotexnologii
http://www.saitzemli.ru/article/gekkon
http://www.nanonewsnet.ru/news/2016/fizika-v-mire-zhivotnykh-lapa-gekkona