Нанотехнологии и их применение

Нанотехнологии и их применение

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Какой смысл вкладывают в понятия «нанотехнология», «наночастица», «наноматериал»? Каковы ключевые этапы и перспективы развития нанотехнологии? Каково значение нанотехнологий в развитии цивилизации? Каковы области практического применения нанотехнологий?

Глоссарий по теме:

Техника – это совокупность средств труда и производства, а также, приёмов, служащих для создания материальных ценностей.

Нанотехнология – это особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой через контролируемое манипулирование отдельными частицами – атомами и молекулами.

Наноматериалы представляют собой материалы, созданные на основе или с использованием наночастиц или/и путем применения нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами за счет присутствия этих частиц. К наноматериалам относятся объекты, размеры которых в интервале от 1 до 100 нм.

Наночастицы – общий термин для обозначения ультрадисперсных изолированных объектов, обозначающий частицы вещества, размерами до 1 нанометра.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Естествознание. 11 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. – С. 118-126.

2. Аль-Ани, Н. М. Философия техники: очерки истории и теории: учебное пособие / Н. М. Аль-Ани. – СПб, 2004. – 184 с.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Научная статья: Свидиненко Ю. «Нанотехнологии в нашей жизни» // Журнал «Наука и жизнь», электронная версия. URL: https://www.nkj.ru/archive/articles/1239/

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Нанотехнологии сегодня можно назвать одним из этапов и одновременно направлений развития техники. Техника – это совокупность средств труда и производства, а также, приёмов, служащих для создания материальных ценностей.

На современном этапе скорость развития техники настолько велика, что трудно предсказать направление ее развития, а так же и то, во благо или во зло будут использованы новые и новые технические изобретения. А одним из новых направлений совершенствования техники является развитие нанотехнологий.

Нанотехнология – это особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой через контролируемое манипулирование отдельными частицами – атомами и молекулами.

Нанотехнологии сегодня используются в медицине, строительстве, промышленном производстве, а сама область исследования нанотехнологий – одна из наиболее интенсивно развивающихся на современном этапе.

Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году, обозначив так производство изделий, размеры которых сопоставимы с нанометром. Один нанометр – одна миллиардная часть метра (приставка «нано» – 10^-9). Первым ученым, который проводил измерения в таких единицах, был Альберт Эйнштейн, доказавший, что размер крупицы сахара равен одному нанометру.

Эрик К. Дрекслер в 1980-х годах называл нанотехнологиями новую область прикладной и теоретической науки. На современном этапе нанотехнологии получают практическое развитие и применение в различных областях.

Одним из ключевых направлений в развитии нанотехеологий выступает создание и получение продукции с совершенно новыми свойствами – наноматериалов и ее применение.

Наноматериалы представляют собой материалы, созданные на основе или с использованием наночастиц или/и путем применения нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами за счет присутствия этих частиц. К наноматериалам относятся объекты, размеры которых в интервале от 1 до 100 нм.

К наиболее популярным объектам исследования в области нанотехнологий относят наночастицы, нановолокна, нанопорошки, нанопленки.

Наночастицы – общий термин для обозначения ультрадисперсных изолированных объектов, обозначающий частицы вещества, размерами до 1 нанометра.

Часто наночастициы образуют скопления, выстроенные по определенной схеме. Наиболее характерным примером являются фуллерены – структурированные соединения углерода. В молекулах фуллеренов атомы углерода располагаются в вершинах шести- и пятиугольников, из которых состоит поверхность шара или эллипсоида. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – фуллерен C₆₀, в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, напоминающий футбольный мяч.

На основе фуллеренов синтезируются углеродные нанотрубки. Углеродная нанотрубка – это аллотропная модификация атомов углерода, в виде пустой цилиндрической структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от микрометра до нескольких сантиметров. Углеродные нанотрубки применимы в разных областях – в технике, в качестве прочных материалов, сверхпроводников тока, основы кабелей, в медицине – в качестве искусственных мышц и нервов, в информационной технике – как компоненты компьютерных матриц и т.д.

Основными направлениями в развитии нанотехнологий являются:

- получение прочных и легких материалов, которые используют в технике, биотехнологии, медицине, охране окружающей среды, космосе;

- создание датчиков и индикаторов на производстве;

- создание лекарственных препаратов и новых средств их доставки в организм;

- формирование новых средств и методов исследований и мониторинга в разных областях;

- разработка методов очистки окружающей среды – воды, воздуха, почв и т.д.;

- разработка миниатюрных космических аппаратов для запуска и глубокого изучения космоса.

В области нанохимии из реагентов, созданных на основе упорядоченных наночастиц, создают различные композитные и сенсорные материалы, твёрдые электролиты.

Применение нанотехнологий в области коммуникации позволяет улучшать качество каналов связи и систем отображения информации. В практической медицине наночастицы используют в качестве лекарств, контейнеров для их доставки, медицинских нанороботов, искусственных геномов, регенерации тканей тела.

Особую роль наноматериалы играют в области энергетики, особенно на современном этапе, когда необходима разработка альтернативных источников энергии. Нанотехнологии в сфере энергетики направлены на совершенствование топливных конструкционных материалов, охраны природной среды при генерации энергии (создание тонких нанофильтров), развитие безопасной атомной энергетики, развитие мониторинга с помощью нанодатчиков.

Большое значение имеют наноструктуированные металлы, полимеры и керамика в строительстве и промышленности. В компьютерной технике сегодня разрабатываются наномикросхемы.

Нановолокнистые материалы сегодня используют при создании различных типов стрелкового оружия, ракет и самолётов.

Современный человек в быту сталкивается с применением нанотехнологий. Например, современные образцы грязеотталкивающей одежды созданы за счет напыления на ткань особого слоя наночастиц полимера, который не позволяет грязи осесть на ткани. Сегодня создают лейкопластыри с напылением наночастиц серебра, обладающего антибактериальным эффектом. Значительное распространение получает сегодня особая краска для автомобилей – краска состоит из частиц-шариков, размером менее нанометра. При царапинах на машине эти частицы-шарики оседают в трещинах, заполняя их, за счет чего повреждения на поверхности автомобиля «затираются». Такая краска позволяет машине долгое время сохранять идеальную поверхность, предохраняя от ржавчины.

На современном этапе можно выделить ряд проблем развития нанотехнологий, в частности:

1. Сравнительно высокая стоимость наноматериалов, в сравнении с «обычными».

2. «Непредсказуемость» в отношении того потенциального вреда, который наноматериалы при промышленном использовании могут нанести окружающей среде.

3. Необходимость определения того круга наноматериалов, который следует переводит в масштаб промышленного производства – это наиболее часто используемые, наиболее востребованные материалы.

4. Выявление определенного круга направлений исследований в области нанотехнологий, которые являются приоритетными, требуют финансирования, разработки программ и поддержки государства.

5. Сложность работы с наноматериалами – исследования наноматериалов, их создание возможно при использовании специальных сканирующих микроскопов, которые позволяют зрительно увеличивать объекты в тысячи раз.

Решение перечисленных проблем лежит на стыке исследований множества наук – физики, химии, биологии, технических дисциплин и т.д.

Выводы:

Нанотехнология – это особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой через контролируемое манипулирование отдельными частицами – атомами и молекулами.

Современный человек в быту сталкивается с применением нанотехнологий. Например, современные образцы грязеотталкивающей одежды созданы за счет напыления на ткань особого слоя наночастиц полимера, который не позволяет грязи осесть на ткани. Сегодня создают лейкопластыри с напылением наночастиц серебра, обладающего антибактериальным эффектом. Значительное расположение получает сегодня особая краска для автомобилей – краска состоит из частиц-шариков, размером менее нанометра. При царапинах на машине эти частицы-шарики оседают в трещинах, заполняя их, за счет чего повреждения на поверхности автомобиля «затираются». Такая краска позволяет машине долгое время сохранять идеальную поверхность, предохраняя от ржавчины.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой это:

1) биосферная функция;

2) нанотехнология;

3) коэволюция;

4) техника.

2. Вставьте пропущенные слова в тексте: «_____________ – это особая область на основе синтеза знаний фундаментальной и прикладной науки и техники, которая представляет собой совокупность методов производства и использования продуктов с заданной атомной и молекулярной структурой через контролируемое манипулирование отдельными частицами – атомами и молекулами».