Нанотехнологии - история развития - работы моих учеников

Введение

Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.

Актуальность выбранной темы заключается в том, что настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Нанотехнологии – это не просто отдельная часть знаний, а масштабная, всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками.

Объект исследования – история развития нанотехнлогий

Предмет исследования - нанотехнологии

Главной целью моей работы является изучение перспективы развития и использования нанотехнологий в современном мире.

В моей работе широко используются такие методы исследования, как: метод синтеза (чтобы охарактеризовать отдельные признаки нанотехнологий, сложить о них целостное понятие), абстрагирование (чтобы выделить закономерности развития этой науки), исторический метод (с целью выявления хронологии развития нанотехнологий), анализ литературы (что бы выявить более оптимальный вариант для нахождения и использования информации).

Для достижения поставленной цели я ставлю следующие задачи:

1. Выяснить, что такое нанотехнолгии.

2. Изучить историю развития нанотехнологий

3. Рассмотреть примеры использования нанотехнологий в настоящее время.

Можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.

1.Что такое нанотехнологии?

Нанотехноло́гия – (греческий термин «нанос» означает «гном»; 1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, что-то же самое, одной миллионной доле миллиметра) область фундаментальной и прикладной науки и техники. На сегодняшний день в мире нет стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция.

Термин "нанотехнология" или "нанотехнологии" был введен профессором токийского университета Норио Танигу-чи в 1974 г. в контексте обработки материалов путем добавления или удаления атома или молекулы.

Темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров. Созданные на их основе вещества и объекты размером 1 – 100 нм называют наноматериалами, а способы их производства и применения – нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика.

Нанотехнологии  – это исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале расстояний (рисунок 1).

2. История нанотехнологий: От первооткрывателей до последних лиц

Египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысяч лет назад. В исследованиях проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев, установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров!

Древний процесс окрашивания волос в чёрный цвет является замечательным примером нанотехнологий, успешно используемых до настоящего времени. Проводя эксперименты по окрашиванию волос, учёные нашли, что частички минерала галенита — сульфида свинца, — применявшегося в древности с этой целью, из раствора проникают глубоко в волос, изменяя его цвет. Они так малы, что оказываются сопоставимы по размеру с квантовыми точками, созданием которых занимаются современные нанотехнологии.

В Британском Музее хранится, так называемый «Кубок Ликурга», изготовленный древнеримскими мастерами – он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет – от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.

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. Впоследствии идеи Демокрита и Бойля были приняты научным сообществом.

Впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем Истмэном, который изготовил фотопленку в 1883 году.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

Основы нанотехнологий, как считает значительное число экспертов, заложены лауреатом Нобелевской премии Р. Фейнманом в 1959 г. в его знаменитой лекции на заседании американского физического общества.

1. История развитий нанотехнологий в России

В России, как и во всем мире, ведутся исследования нанотехнологий, в связи с этим правительство РФ разработала ряд программ по изучению и применению нанотехнологий.

Все это поспособствовало более глубокому изучению нанотехнологий в России.

1. Форумы и выставки

Первый в России Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech прошел в 2008 году, впоследствии ставший ежегодным. Работа по организации Международного форума по нанотехнологиям проводилась в соответствии с Концепцией, одобренной наблюдательным советом ГК «Роснанотех» 31 января 2008 г. и распоряжением Правительства Российской Федерации № 1169-р от 12.08.2008 г. Форум прошел с 3 по 5 декабря 2008 г. в г. Москве в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Программа Форума состояла из деловой части, научно-технологических секций, стендовых докладов, докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий и выставки (рисунок 2).

Всего в мероприятиях Форума приняло участие 9024 участника и посетителя из России и
32-х зарубежных стран

1. Для чего нужны нанотехнологии?

Нанотехнология, в сущности, является «наукой конструирования», что де­лает ее мощным инструментом преобразования всех сторон общественной жизни. Она дает возможность создавать вещества на атомном и молекулярном уровне, а также дешево и быстро изготовлять предметы и товары «по заказу». Еще важнее и интереснее то, что, используя природные законы и процессы, мы получаем возможность конструировать и создавать вещества, которые ни­когда раньше не существовали в природе.

Развитие нанотехнологии ставит перед обществом две важнейшие пробле­мы: 1) насколько быстро люди смогут адаптироваться к достижениям новой науки; 2) насколько мудрыми они окажутся в использовании этих достижений. Эти факторы определят в будущем конкурентоспособность отдельных людей, организаций и даже целых государств. Умение использовать достижения новой науки и развивать ее станет стратегическим преимуществом. Те общества, которые сумеют лучше организовать социальные системы, связанные с нанотех­нологиями (обучение, исследование, развитие), добьются успеха и процвета­ния в третьем тысячелетии. Нанотехнология будет влиять на общественную жизнь в 21 в. точно также, как теперь на нее влияют цифровые технологии.

Использование нанотехнологии приведет к следующим переменам в обще­ственной жизни:

• Потребительские и промышленные товары станут более компактными, долговечными, качественными, прочными и дешевыми. Это связано с бо­лее высокой эффективностью нанотехнологаческих производств и луч­шими характеристиками наноматериалов.

• Медицинское обслуживание станет более дешевым, доступным и эффек­тивным. Станут возможными предотвращение многих болезней, замена внутренних органов, увеличение продолжительности жизни. Появятся но­вые лекарственные препараты и диагностические аппараты. Нанобиология сделает жизнь людей более продолжительной и здоровой. Будут созданы синтетические ткани и органы, генетические и биомолекулярных методы лечения, будут осуществляться процессы «направленной эволюции».

• Окружающие нас предметы станут «интеллектуальными». Электронные чи­пы войдут в состав бумаги, одежда научится «говорить», автомобили будут сами производить энергию для движения, появятся специальные, связан­ные с Интернетом устройства, объединяющие функции телефона, телеви­зора и компьютера. Возникнет глобальная система связи, объединяющая всех, везде и всегда.

• Сформируется новая экономика, основанная на нанотехнологии и нано- продуктах, что потребует осуществления программ переобучения рабочих. Новой парадигмой развития станет наноинженерия. Под воздействием тех­ники Интернета мировой бизнес сейчас преобразуется в е-бизнес, а в 21 в. ему предстоит превратиться в нанобизнес.

• Быстрое развитие нанопромышленности потребует коренных изменений в системе образования. Следующим поколениям будут нужны знания по раз­личным областям нанонауки, вследствие чего будут пересмотрены образо­вательные программы по многим научным и инженерным специальностям.

• Наноэнергетика сделает мир более чистым и позволит более эффективно использовать природное топливо. Будут созданы новые типы двигателей, топливных элементов и транспортных средств.

• Использование нанотехнологий в пищевой промышленности позволит со­здать разнообразные новые пищевые продукты и кулинарные рецепты, не имеющие аналогов в современной кулинарии.

• Основанная на нанотехнологиях экономика существенно изменит условия работы и продвижения по службе. Работа в будущем будет связана не столь­ко с производством продуктов, сколько с обслуживанием и применением знаний. Нанотехнология изменит глобальную экономическую ситуацию

• Спроса и предложения, что приведет к большему разнообразию в выборе образа жизни и занятий.

• Значительно возрастут разнообразие и значение когнитивных (познава­тельных) процессов, будут развиты новые возможности для физического и чувственного восприятия.

• Экономика, связанная с нанотехнологией, будет в большей степени основа­на на личном вкладе граждан в общественную жизнь, что позволит обществу быстро и эффективно вознаграждать отдельных лиц или организации за их вклад в развитие интеллектуальной собственности и новых технологий.

Нанотехнологии признаны основной движущей силой науки и техники XXI века. Это наука и разработка производства, направленная на доступное получение устройств и веществ с данной атомарной структурой. Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение «новая промышленная революция».

1. Использования нанотехнологий в настоящее время в быту

Лейкопластырь. Кусочек лейкопластыря, которым вы заклеиваете порез на ручке вашего ребенка, имеет нанослой серебра, помогающий быстрее залечивать рану. Это потому, что серебро имеет антибактериальные свойства, которые действуют лучше с повышением площади поверхности, что обеспечивается наночастицами (рисунок 3).

Зубная паста. Почистьте свои белоснежные зубы определенной пастой, и наночастицы минералов на основе гидроксиапатитов кальция заполнят микротрещины в эмали и сохранят зубы от кариозных полостей (рисунок 4).

iPhone. В смартфонах используются самые разные нанотехнологии, и одной из самых гениальных является нанодатчик вибраций, фиксирующий движения телефона в игровых целях и для безопасности. Да, ваш iPhone знает, когда вы его уронили, и закрывает части своей системы для защиты. Даже если лопнет стекло с повышенной сопротивляемостью к ударам и царапинам, наночипы внутри продолжат работать (рисунок 5). Один аппарат в 2011 году даже пережил падение в кармане скайдайвера.

Шоколадный коктейль. Представьте шоколадный коктейль без сахара с усиленным вкусом шоколада. Такой напиток уже есть. Содержащиеся в нем наноразмерные кластеры какао имеют большую площадь поверхности, и как только они сталкиваются с вкусовыми сосочками на языке, то производят громадное вкусовое воздействие. При этом нет необходимости добавлять подсластители (рисунок 6).

Теннисные мячи. Теннисные мячи теряют упругость, так как их резиновая основа пористая и пропускает газ, вследствие чего они со временем выпускают воздух (кстати, именно потому сдуваются шарики). Чтобы решить эту проблему, ученые покрывают резиновую основу нанослоем глиняного композита, что делает мячики герметичнее и позволяет им дольше оставаться на корте (рисунок 7).

Автомобильная краска. Владельцам Мерседесов больше не нужно бояться царапин на кузове автомобиля, так как наночастицы краски действуют, как слой микроскопических шариков, заполняя любые полости на поверхности.

Грязезащитная одежда. Даже самые неаккуратные люди могут легко решить проблему пятен на одежде при помощи специального нанопокрытия. Оно представляет собой совершенно невидимое грязе- и водоотталкивающее средство для одежды из шерсти, шелка или синтетики. При этом воздухопроницаемость ткани остается прежней, на вид и на ощупь она остается совершенно без изменений (рисунок 8).

Солнцезащитный крем. Оксид алюминия – активный ингредиент в солнцезащитных средствах, поглощающих ультрафиолетовые лучи – распадается при смешивании с другими молекулами, такими как пот на коже. Поместите эти активные ингредиенты в наноэмульсию, и они останутся отделенными от окружающей среды и смогут выполнять свою поглощающую функцию (рисунок 9).

Каноловое масло. Многие белки и витамины не растворяются в воде, а потому их сложно добавлять в еду. Но если разбить их на нанокапли, проблема будет решена. Каноловое масло содержит нанокапли фитостеролов, которые позволяют держать на низком уровне содержание холестерина, а потому можно есть жареных цыплят круглые сутки и при этом не страдать от последствий накопления холестерина в организме (рисунок 10).

Высокие технологии помогают бороться и с пылью (рисунок 11). Высококачественные средства, по уходу за мебелью, содержат в своем составе специальные наночастицы, которые при прямом контакте с воздухом, образовывают на поверхности мебели незаметную  оболочку, которая обладает антистатическим эффектом и не позволяет пыли оседать на обработанные поверхности.

1. Необычное использование нанотехнологий в настоящие время

Наносим спрей (рисунок 12) на тело в течение 15 минут (рисунок 13) и новая полностью уникальная одежка готова (рисунок 14)! Вы еще думаете, что это из ряда фантастики? Нет, такая одежда уже существует сегодня, а ее создателями являются испанский дизайнер Манэл Торрес и профессор Имперского колледжа Пол Лакхэм. На разработку новой технологии жидкой одежды они потратили 10 лет и считают, что их детище в будущем совершит революцию в области легкой промышленности.

Одежда спрей наносится на обнаженное тело с помощью аэрозольного баллончика, который наполнен жидкой смесью волокон натурального хлопка, растворителей и полимеров, которые при напылении связываются вместе. Новый материал, получивший название Fabrican высыхает с такой же скоростью как мокрая человеческая кожа. И как только нанесенная смесь подсохнет, ее можно не только снять и носить, но даже стирать. Пока что данная технология остается в стенах лаборатории, но скоро баллончики со спреем должны появиться в магазинах Великобретании и их стоимость будет составлять 12 долларов.

Заключение

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.

Данную работу можно использовать на уроках и внеурочных занятиях по физике, биологии, химии.

Библиогрфический список:

I .Специализированная литература:

1. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. – М.: УРСС, 2005, – 444 с.

2. Третьякова Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. 2-е изд. – М.: Физматлит, 2010, 368 с.

II. Электронные ресурсы:

1. https://ru.wikipedia.org

2. http://www.facepla.net

3. http://planet-works.3dn.ru

4. https://m.youtube.com/watch?v=6lDNR3UGPcw

5. http://www.marketgid.com

6. exfun.ru/blog/wow/447.html

Приложения

Рисунок № 1

Рисунок № 2

Рисунок № 3

Рисунок № 4

Рисунок № 5

Рисунок № 6

Рисунок № 7

Рисунок № 8

Рисунок № 9

Рисунок № 10

Рисунок № 11

Рисунок № 12

Рисунок № 13

Рисунок № 14

27