VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нанотехнологии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Слайд №1
В это трудно поверить, но придет время (и оно уже не за горами), когда по нашему заказу, на наших глазах, прямо у нас дома будут изготавливаться любые вещи, любые продукты, все, чего мы пожелаем. Похоже на сказку. Но реальностью ее сделают нанонаука и нанотехнологии.
По-другому станут работать фабрики и заводы. Возможно, уже не понадобится выращивать зерно в полях, а яблоки - в садах. Все, что мы едим, будет изготавливаться искусственно, причем по качеству, по вкусу эта еда ничем не будет отличаться от натуральных продуктов.
Совершенно другой – надежной и эффективной – станет медицина. Мы будем лечиться совсем не так, как сегодня. Нанотехнологии, заверяют ученые, сделают людей долгожителями, а быть может, и бессмертными.
На сегодняшний день в мире нет единого стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии и нанопродукция.
Наиболее понятными для меня представляются следующие определения:
управление свойствами материалов на наноуровне для получения новых возможностей их практического применения;
понимание и управление материей на уровне нанометрии, когда уникальные явления создают возможности для необычного применения;
междисциплинарная область науки и техники, включающая в себя информационные технологии, науки об окружающей среде и жизни с использованием уникальных свойств материалов проявляющихся на наноуровне.
Исследования в области нанотехнологий связаны с ее малоизученностью и необходимостью восполнения недостающей научной информации, т. к. нанотехнология — это современная наука, которая не стоит на месте и на которую возлагаются самые большие надежды в современном мире. Сейчас нет ни одной технологии, в которой бы не использовались нанотехнологии. Результаты, простейших экспериментов свидетельствуют о возможности применять нанотехнологии в медицине, стоматологии, аэрокосмической области, автомобильной промышленности, компьютерной технике и других областях деятельности человека. А использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
Исходя из этого, я выбрал следующую тему исследования «Нанотехнологии».
Слайд №2
Цель работы понять суть нанотехнологии, изучить отдельные физические и химические основы этого направления науки.
Гипотеза
Я предполагаю, что результат от моей работы будет очень позитивным, т.к. я для себя уясню, что такое нанотехнологии, в чем сложность этой науки, её проблематику и новизну, а также её ценность и вред для человечества.
Задачи исследования:
1. Дать определение нанотехнологии.
2. Изучить основные задачи нанотехнологий.
3. Выяснить основные области применения нанотехнологий.
4. Понять в чем опасность развития нанотехнологий.
5. Рассмотреть применение нанотехнологий в физике и химии на примере следующих экспериментов: гидрофобизация поверхностей и неньютоновская жидкость.
Методы исследования: анализ учебной литературы, экспериментальный метод.
1. Теоретическая часть.
1.1. История нанотехнологий.
Слайд №3
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 «неделимый», для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году ирландский химик Роберт Бойль опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов – воды, земли, огня и воздуха. Бойль утверждал, что все состоит из «корпускул» - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы.
29 декабря 1959 года на рождественском обеде Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте, профессор Ричард Фрейман выступил с лекцией под странным названием «Внизу полным – полно места». В ней прозвучала мысль о манипуляции отдельными атомами и молекулами, о возможности искусственно создавать вещества и объекты, собирая их атом за атомом, молекула за молекулой.
Однако история использования веществ с наночастицами уходит в Древний Египет и Грецию, где несколько тысяч лет назад вещество с наночастицами – минерала галенит применяли для окрашивания волос.
Средневековые мастера, изготавливающие стекла для витражей соборов и замков, заметили, что крохотные частички золота меняют цвет в зависимости от своих размеров. Они могут быть зелеными, оранжевыми, красными, пурпурными. Добавляя эти частички в стекольную массу, можно получить разноцветные стекла изумительной красоты.
Или вот еще один пример. В Карелии, вблизи Онежского озера царь Петр I повелел создать курорт Марциальные воды, первый в России. Целебная сила этих вод была давно известна. Но только сотни лет спустя после основания курорта удалось выяснить причину целебности марциальной, или шунгитовой воды.
Причина же состоит в том, что на воду источника воздействует залегающий здесь минерал шунгит, содержащий природные наночастицы. Они – то и делают воду полезной для здоровья.
1.2. Что такое «нано».
Слайд №4
Греческое слово «нанос» переводится как «гном», «карлик». От этого слова и произошла приставка «нано» означающая одну миллиардную часть любой меры длины. Например, один нанометр меньше метра в один миллиард раз, или равен одной миллионной доли миллиметра.
Вообразить такую величину, на много меньшую микроскопической, почти невозможно. Мы привыкли к другим размерам, значительно большим. Их называют макроскопическими.
Толщина человеческого волоса равна примерно 50 тысячам нанометров. Величина микроба – это сотни нанометров. Наш глаз без микроскопа способен разглядеть объект размером не менее 10 тысяч нанометров.
Мир наночастиц – особый, совершенно отличный от привычного нам большого макромира. При наноразмерах основные, или фундаментальные, химические, физические, электрические, оптические свойства совсем другие, чем при макроразмерах. В подтверждении этого только один пример.
В школе мы будем изучать закон Ома, определяющий зависимость между силой электрического тока, его напряжением и сопротивлением проводника. Для «большого» провода этот закон соблюдается. Однако он уже не будет действовать, если сечение провода будет размером в один атом. В обычных условиях электроны могут двигаться по проводнику свободно. По нанопроводу они должны идти лишь строем, гуськом, по одному, то есть совсем не по закону Ома.
1.3. Практика применения нанотехнологий в современной жизнедеятельности человека.
1.3.1 Нанотехнологии в медицине.
Слайд №5
Нанотехнологии изменят медицину, и она станет другой. Иначе будут распознавать болезни, по-другому лечить их. Многие болезни исчезнут вообще. Появилось даже новое название - наномедицина.
Поставить правильный диагноз при серьезных заболеваниях непросто, и наночастицы здесь могут быть надежными помощниками. В теле человека нет ничего намагниченного. Это как раз и позволяет для выявления воспалений использовать намагниченные наночастицы, введенные больному. В организме человека они – тела инородные, а потому быстро захватываются фагоцитами, клетками, поглощающими все чужеродное.
Фагоциты становятся магнитными и если в организме где-либо начинается воспалительный процесс, то бдительные фагоциты устремляются туда, чтобы начать борьбу с инфекцией – бактериями и вирусами. Так с помощью наночастиц можно быстро засеч очаг воспаления и, не теряя времени, начать лечение.
Австралийские ученые доказали, что помимо уколов существует более приятный способ для ввода лекарства – это нанопластырь.
Пластырь с лекарством на несколько минут прикладывают к телу, и лекарственные препараты сами проникают под кожу больного.
Японские ученые получили невероятно тонкую пленку, толщиной всего 20 нанометров, выяснилось, что этот материал может служить идеальным перевязочным материалом. Она прекрасно закрывает хирургические надрезы, которые после этого срастаются чисто, без шрамов. К тому же выздоровление проходит быстрее и нет риска занести инфекцию.
Любое лекарство не только лечит, но и оказывает побочное вредное воздействие на здоровые органы заболевшего. Так получается главным образом потому, что оно попадает не только туда, куда ему следует попасть. Все меняется, если использовать для доставки лекарств наночастицы. Для этого необходимо прикрепить крошечный контейнер с лекарством к молекуле-наночастице, и та доставит свой груз по нужному адресу.
1.3.2. Материаловедение и нанотехнологии.
Слайд №6
Трудно вообразить порванную рубашку, которая бы сама себя чинила. А вот одежда, пошитая из специальных нанотканей, может это делать.
Наша кожа – природный, исключительно умный материал. При порезах и других ранениях она самовосстанавливается, заживает, она чувствует изменения внешней температуры, прикосновения и даже звук. Ученым удалось создать искусственную кожу, не менее умную, чем естественная.
Например. Ткань изготовленная из нановолокон в зависимости от температуры меняет цвет и пористость. Если из такой ткани пошить, например рубашку, то в жаркий день она будет светлой и свободной, а при похолодании наоборот, будет темнеть и становиться плотнее.
Так же созданы наноткани, которые не мнутся при долгом лежании в чемодане, ткани отпугивающие в лесу комаров и других кровососущих насекомых.
Умными могут быть не только наноткани, но и наножидкости. Одна из них с виду жидкость как жидкость. В обычном состоянии находящиеся в ней частицы располагаются в беспорядке, хаотично. Однако стоит подействовать на этот раствор электрическим или магнитным полем, как частицы выстраиваются определенным образом, и жидкость густеет, становиться вязкой и наконец твердой как камень.
Многие из нас даже не подозревают, что уже сегодня пользуются нановеществами. Они продаются и всем доступны. Современные бесцветные солнцезащитные кремы содержат наночастицы. Они пропускают видимый свет, но отражают вредное ультрафиолетовое излучение.
Можно также привести в качестве примера жидкость для мытья оконных стекол. В этой жидкости находятся наночастицы диоксида титана который способствует быстрому распаду органических загрязнений.
Российскими специалистами создан нанобетон, который благодаря наночастицам становится в полтора раза прочнее не боится холодов и в шесть раз легче.
Фасады домов, покрытые нанокрасками, даже спустя несколько лет выглядят как новенькие, словно недавно окрашенные.
Умные наноматериалы помогают беречь природу. Созданы упаковочные нанопленки, которые сами себя уничтожают. В США изобрели удивительную промокашку, предназначенную для сбора нефти, разлившейся в море при аварии танкеров.
1.3.3. Нанотехнологии в военном деле.
Слайд №7
О том, что нанотехнологии могут быть использованы в военном деле, стало ясно почти сразу. На основании нанотехнологий можно разработать и уже существуют мощные боеприпасы – снаряды, мины, бомбы, средства маскировки, точные приборы, средства связи и многое другое.
В 1960 году американцы испытали бомбу объемного взрыва (вакуумную бомбу) Особенность ее состояла в том, что сначала появлялось облако особой топливо-воздушной смеси, оно воспламенялось и тогда гремел взрыв колоссальной разрушительной силы.
В 2007 году наша страна тоже разработала вакуумную бомбу, но в четыре раза мощнее американской.
Такой мощности удалось достичь за счет применения нанотехнологий. При взрыве поджигалось облако с наночастицами горючего вещества, выделяющими при сгорании особенно много энергии.
Надежно замаскировать боевую технику, сделаться невидимым для противника – к этому всегда стремились военные.
Английские ученые создали модель плаща-невидимки которая покрыта множеством тончайших игл диаметром 10 нанометров. Наноиглы так взаимодействую со светом, что модель становиться невидимой, но все, что за ней, видно хорошо.
Используя достижения наноэлектроники, израильские инженеры работают над созданием электронного шмеля для обнаружения и уничтожения противника в стесненных условиях большого города. Шмель снабжен видеокамерой и несет на себе заряд взрывчатки.
Наножидкость про которую я рассказал ранее используют и в военном деле. Такую жидкость, находящуюся внутри бронежилета, можно заставить мгновенно затвердеть и превратиться в пуленепробиваемую броню.
Как утверждают футурологи (специалисты по будущему), нанотехнологии сделают грядущие войны куда более жестокими, чем в прошлые времена. Опасность прежде всего будет заключаться в том, что оружие станет незаметным.
1.3.4. «Бунт» нанороботов.
Слайд №8
Нанотехнологии позволили осуществить многое из того, о чем раньше и мечтать было невозможно. Наночастицы лечат людей, борются с микробами и вирусами, позволили создать новые лекарства. Однако не все так хорошо. Чем больше нанотехнологии входят в нашу жизнь, тем сильнее тревога за будущее.
Не все наночастицы полезны для здоровья людей, некоторые, напротив, очень вредны.
Пользуясь метро, подавляющее большинство пассажиров не знает, что вокруг них в воздухе подземки витают вредные наночастицы железа. Эти частицы образуются при движении поезда по рельсам.
В выхлопных газах автомобилей содержаться не только ядовитые вещества, но вдобавок и очень вредные наночастицы сажи.
Опасные для здоровья наночастицы образуются и при трении автомобильных шин о покрытие автотрассы.
Наночастицы невидимы невооруженным глазом, а потому вред от них сразу не осознается. Теперь известно, что наиболее опасны наночастицы, находящиеся в воде, свободные и несвязанные. Они легко могут попасть на кожу, в дыхательные пути и наконец в кровь.
В связи с этим на ученых, занимающихся нанотехнологиями, лежит огромная ответственность за будущее.
2. Практическая часть.
В середине 70-х годов прошлого века немецкими учеными-ботаниками Боннского университета Вильгельмом Бартхлоттом и Кристофом Найнуйсом было открыто явление самоочистки листьев и цветков некоторых растений, а также тот факт, что этот феномен объясняется особым наноструктурированным состоянием их поверхности. Впоследствии это явление ими было запатентовано и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений – эффект лотоса.
Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты, так как известно, что листья и нежно-розовые или синеватые цветки лотоса остаются даже в грязной тине водоемов безупречно чистыми.
Явление самоочистки детально исследовалось учеными и позволило открыть удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но также и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается не только у лотоса, но и у других растений (листья кактуса, капусты, камыша, водосбора, тюльпана), а также у насекомых (например, крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического происхождения (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.).
С помощью электронных микроскопов исследователями было обнаружено, что листья и цветки некоторых растений выделяют воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров, которые образуют на поверхности особую структуру (нанорельеф) в виде «шипов».
2.1 Опыт №1.
Слайд №9
Постараемся воспроизвести эффект лотоса в домашних условиях, ведь если уронить каплю воды на бумагу, она быстро растечется и впитается. Если же бумагу смазать растительным маслом, капля будет кататься по ней в виде расплющенного шарика.
Для проведения опыта нам потребуется:
лист бумаги и ножницы;
растительное (кокосовое) масло;
вата;
деревянные бруски разной высоты;
канцелярские кнопки;
ложка и блюдце;
стакан с водой.
Слайд №10
Вырезаем две одинаковых полоски бумаги. Сделаем из ваты тампон, с его помощью пропитаем полоску маслом. Соорудим на столе несколько подставок из деревянных брусков (начнем с самого высокого и закончим самым низким). Кнопками приколем к ним бумажную полоску. Под нижний конец бумажной ленты поставим блюдце. Теперь наверх самой высокой горки капнем воду и посмотрим результат.
Слайд №11
Капля воды в виде приплюснутого шарика или овала покатиться в низ по наклонной плоскости и упадет в тарелку.
Причина легкого скольжения капель по поверхности бумаги (так называемого эффекта лотоса) явление несмачивания. Оно состоит в том, что частицы (молекулы) воды при контакте с твердой поверхностью не прилипают к ней. Вода очень плохо смачивает промасленную бумагу.
Для сравнения проведем идентичный опыт с использованием необработанной бумаги. Капля воды при движении по такой горке впитается в бумагу и не достигнет тарелки.
Слайд №12
Данный эффект широко применяется на практике при разработке и производстве самоочищающихся или устойчивых к загрязнению изделий и покрытий в самых различных отраслях экономики.
Наиболее широкое распространение технологии на основе «эффекта лотоса» получили в автомобильной промышленности при нанесении лакокрасочных покрытий; специальной обработки остекления автомобиля; защитной водоотталкивающей и антибактериальной пропитке внутренней обивки и тентов; модифицировании резинотехнических изделий.
Внешний вид, качество и долговечность покрытия автомобиля, несомненно, является отражением технического состояния всего транспортного средства. Благодаря широкому диапазону свойств и эффектов, достигаемых при помощи нанотехнологий, в том числе «эффекта лотоса», в настоящее время имеется возможность для обновления и защиты внешнего вида автомобилей при относительно низких затратах, что снижает расходы при эксплуатации.
Другим направлением использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении является исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Эти проблемы решаются за счет использования порошковых покрытий вместо традиционных жидких покрытий на водной основе, которые становятся все более распространенными, поскольку они не содержат летучих органических соединений.
В настоящее время ведутся работы над самовосстанавливающимся лакокрасочным нанопокрытием, позволяющим осуществлять «саморемонт» царапин и мелких потертостей, возникающих при повседневной эксплуатации автомобиля.
В настоящее время на основе «эффекта лотоса» разработан ряд специальных материалов и изделий, обладающих самоочищающимися и другими уникальными свойствами, например, гидрофобные фасадные краски, антивандальные покрытия поездов, незапотевающие зеркала и керамика, малозагрязнеющийся бактерицидный текстиль, непромокающие дождевые плащи и зонтики, водоотталкивающие спортивные купальные костюмы, а также многое другое.
2.2 Опыт №2.
Слайд №13
Ранее мы говорили о наножидкостях которые под воздействием различных внешних факторов изменяют свои свойства.
Ярким примером такой жидкости является неньютоновская жидкость.
Вода — это жидкость, которая при наклоне выливается из сосуда. А вот неньютоновская субстанция не подчиняется законам физики.
Для создания неньютоновской жидкости я взял следующие ингредиенты
(в пропорции 1:1):
крахмал картофельный;
вода;
глубокая емкость.
Последовательность приготовления такая:
в емкость насыпал крахмал;
долил воду, постепенно смешивая ингредиенты.
Слайд №14
Что я могу сказать о полученной жидкости:
если состав быстро мять в руках, он становится твердым. Во время бездействия субстанция снова становится жидкой;
при медленном наклоне сосуда жидкость течет как сметана. Но, если емкость резко перевернуть, ничего не прольется;
содержимое невозможно выплеснуть из емкости. Капли на поверхности превращаются в сухие комки;
предметы вязнут в субстанции, как в трясине. Но, если их быстро перемещать по поверхности, двигаются как по суше.
Почему так происходит? При сдавливании частицы крахмала соединяются и твердеют. В спокойном состоянии движение молекул не ограничено, поэтому масса остается жидкой.
Вязкость субстанции зависит от скорости воздействия: чем сильнее усилие, тем тверже масса.
Выводы:
Слайд №15
1. В своей работе я дал определение нанотехнологий.
2. Изучил основные задачи нанотехнологий.
3. Выяснить основные области применения нанотехнологий.
4. Учел наличие негативных факторов развития нанотехнологий.
5. Провел элементарные опыты для практической демонстрации возможностей нанотехнологий: гидрофобизация поверхностей и неньютоновская жидкость.
Заключение.
Слайд №16
Для достижения цели моей работы решены все поставленные задачи исследования.
Анализ научной и учебной литературы позволил сделать вывод о том, что нонотехнологии обладают огромными перспективами и человечество возлагает на нанотехнологии большие надежды.
Но главное достижение нанотехнологии будет в изменении жизни людей, их поведения, интересов, увлечений.
Знаменитый английский ученый и писатель-фантаст Артур Кларк, предсказавший многие достижения науки и техники, писал, что к 2040 году нанотехнологам удастся создать устройство для производства объектов любой сложности. И тогда самые дорогие украшения, самые изысканные кушанья, можно будет создать буквально из грязи. «В результате за ненадобностью, исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и необходимость в физическом труде. Последует взрывное развитие искусств, развлечений и образования».
Будем надеяться, что люди от этого не испортятся. Трудолюбие их не пропадет. Напротив, они станут лучше, добрее и любознательнее.
Список используемой литературы
Слайд №17
1. Черненко Г.Т. Нанотехнологии: настоящее и будущее. – СПб.: «БКК», 2012 г.
2. Зарапин В.Г. Опыты Тома Тита. Удивительная механика. – М.: «Эксмо», 2014 г.
3. Игами М., Оказаки Т. Современное состояние сферы нанотехнологий. Форсайт. 2008 г. №3.
4. http://www.nanometer.ru/2009/05/09/effekt_lotosa_155233.html
5. https://kopilkaurokov.ru
6. https://www.nkj.ru/archive/articles/1239
7. http://www.festivalnauki.ru/statya/3477/chto-takoe-nanotehnologii
8. https://edunews.ru/professii/statyi/aktualnost-izuchenija-nanotehnologij.html
9. https://hi-news.ru/tag/nanotexnologii