Детям о нанотехнологиях
Дата публикации: 17.03.2021 2021-03-17
Статья просмотрена: 167 раз
Библиографическое описание:
Феоктистова, О. И. Детям о нанотехнологиях / О. И. Феоктистова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 12 (354). — С. 264-266. — URL: https://moluch.ru/archive/354/79295/ (дата обращения: 09.12.2021).
Чтобы завтра российская наука была на высоком уровне, необходимо сегодня детям привить к ней интерес. А начинать надо с дошкольного образования.
Потребность познания у дошкольников возникает через любознательность и любопытство. Получая новую информацию, малыши стремятся узнать «отчего» и «почему». Вот эти «почему» и будут являться первыми шагами к нанотехнологиям.
«В неведомом таится великая сила» — говорит латинская пословица. Так раскройте это неведомое малышам.
Перед знакомством с нанотехнологиями можно провести необычную наноэкспедицию, которая позволит воспитанникам раскрыть удивительный микромир. В этом поможет детский микроскоп — старший брат наномира. В ходе проводимых исследований с помощью микроскопа дошкольники убедятся, что все, что нас окружает состоит из мельчайших частиц — атомов. Атомы совершают движения и объединяются в молекулы. Ученые при помощи тоннельных микроскопов научились перемещать атомы. Для чего? Возьмем карандаш, стержень карандаша графит — материал очень мягкий, но если у графита атомы расположить в виде нанотрубок, то он станет прочнее стали. Всем этим занимается наука, которую стали называть нанотехнологией. Она изучает свойства различных веществ, создает новые материалы, инструменты сверхмалых размеров.
Понятие «нано» произошло от греческого слова «нанос» — что означает карлик. «Нанометр» — это единица измерения длины равная одной миллиардной части метра. Это примерно в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Нанотехнологии изменяют свойства материалов, превращая их в роботов, послушно и невидимо работающих по заданной программе.
Например, в медицине ожидается создание микророботов врачей, которые могут жить внутри человеческого организма и лечить разные заболевания.
Ученые обнаружили, что новые биоматериалы в виде геля, который наносится на больной зуб, исцеляет его. Не надо будет сверлить и пломбировать зуб.
По всему миру ученые разрабатывают новые нанотехнологии. Так американские ученые работают над пластырем, который может заменить уколы. А израильские ученые разработали нанопленку, которая предназначена для восстановления зрения. В будущем, наверняка, многие незрячие люди смогут снова видеть.
Использование нанотехнологий в строительстве, позволит создать долговечный и высокопрочный бетон, который может просуществовать 500 лет. Благодаря высокопрочному бетону будут строиться небоскребы, огромные мосты.
Нанотехнологии позволили создать сверхпрочную сталь. В океане очень часто случаются разливы нефти. Чтобы избежать этой катастрофы, ученые изобрели специальное нанопокрытие, которое не дает нефти растекаться.
Уже есть новинка — самоочищающее нанопокрытие. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами, и к нему не будет приставать грязь и вода.
С применением нанотехнологий любой материал проявляет уникальные свойства. Известно, что серебро очищает и убивает микробы. Ученые разработали технологию наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить к гнойной ране, то воспаление пройдет быстрее. Наночастицы серебра могут быть использованы в качестве защиты от микробов на транспорте, в столовых, детских садах, спортивных и медицинских учреждениях.
Роботы из жидкого металла из фильма «Терминатор» не такая уж фантастика. Ученые из китайского университета создали жидкий металлический сплав, который может двигаться.
Нанотехнологии могут создать для художников такие наночернила, которые не будут выцветать, а при специальном освещении будут изменять картину.
Учеными была создана «умная пыль». Это маленькие компьютеры размером с рисинку, которые сканируют пространство и передают сигналы.
Если эту «умную пыль» заложить в нору дикого животного, мы будем знать о нем все — его повадки, когда оно спит, сколько у него детенышей.
«Умную пыль» можно рассыпать по дому, где живет пожилой больной человек. «Пыль» будет следить за ним и если человеку плохо, и он упал, то она подает сигналы, что нужно вызвать скорую помощь.
В военном деле тоже используется «умная пыль». Облако микророботов окутывают бронированную машину, и она взрывается. Военную технику предполагают красить электромеханической нанокраской, которая меняет цвет и будет сама восстанавливать повреждения.
Детям необходимо рассказать, что «умная пыль» может использована и для уничтожения людей. Нанотехнологии — это волшебная палочка в руках ученых. Она может быть полезной, облегчающей жизнь или вредной, и погубить все человечество. Все зависит от людей, и они не должны забывать об этом.
Благодаря нанотехнологиям, появляются «умные дома». В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут «умные вещи». Люди станут носить одежду, которая не пачкается; более того, сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ.
Уже сейчас пылесос не обязательно брать в руки — можно оставить перед уходом на работу робот-пылесос, который все сделает за вас. А чтобы наслаждаться свежими, вкусными бутербродами, достаточно включить тостер, пойти почистить зубы (кстати зубная паста — это тоже нанотехнологии), а поджаристые тосты уже будут ждать вас.
Нанотехнологии обещают нам такой мир, о котором раньше мы не могли даже представить.
Кондиционеры, кофемашины, колонки, смартфоны, умные часы, видеокамеры — без них мы уже не можем представить свою жизнь.
Ещё пример — гибкое умное стекло. Благодаря нанотехнологиям, оно становится прочным и небьющимся, может вести себя как сенсорная панель. Превращаясь в экран телевизора просто по движению вашей руки.
А самое главное, что дальше будет еще интереснее.
Одежда, которая не впитывает воду, пластырь, который позволит залезть на стеклянную стену — два этих примера нанотехнологий уже существуют в природе. На протяжении многих лет текстильная промышленность пыталась разработать водонепроницаемые ткани. Но получилось это тогда, когда стал использоваться «эффект лотоса». Лист лотоса покрыт нановолосками, которые поддерживают капли воды, не позволяя им впитываться или смачивать поверхность листка. Добавив нанотрубки в волокна одежды, люди смогут создавать шерсть, хлопок или синтетическую ткань, которая не впитывает влагу.
Сейчас альпинисты могут лазать по зданиям как человек- паук. А это все благодаря разработкам, которые были сделаны благодаря гекконам. Изучая пальцы гекконов, исследователи выяснили, что они покрыты нановолосками, которые позволяют ящерицам бегать по потолку. Инженеры создали обувь в виде лапок геккона, благодаря чему альпинистам можно лазать по зданиям, не уступая человеку-пауку.
Важным уроком выступает то, что в живой природе давно используются нанотехнологии, а мы, люди, только приступили к их изучению. Человеку нужно научиться делать продукты, которые дополняют живой мир, а не повреждают его.
Изучение нанотехнологий на первой ступеньке научных знаний — это уникальная возможность вырастить не только творческую личность, но и может быть ученого или изобретателя, или просто успешного ученика, который сможет находить нестандартные решения при решении задач, умеющих делать выводы и находить выходы из любых сложных ситуаций.
Проведите опыты с гидрофобным песком, когда, побывав в воде, он остается сухим. Будущие маленькие исследователи и фантазеры — это будущее нашей науки.
Необходимо давать возможность малышам удивляться каким-то изменениям. Психологи называют удивление — стимулом к познанию.
Что такое нанотехнологии: просто о сложном
Что такое нанотехнология?
Под термином «нанотехнология» следует понимать комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабе. Нанотехнология предполагает манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что ничего меньшего быть не может. Говоря о наночастицах, обычно подразумевают размеры от 0,1 нм до 100 нм. Заметим, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0, 1 до 0, 2 нм, ширина молекулы ДНК примерно 2 нм, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нм, человеческий волос — 80 000 нм.
Почему маленькие объекты приобретают столь специфические свойства на уровне наномасштабов? К примеру, небольшие группы (их называют кластерами) атомов золота и серебра демонстрируют уникальные каталитические свойства, в то время как большие по размеру образцы обычно инертны. А наночастицы серебра демонстрируют отчетливо выраженные антибактериальные свойства и потому обычно используются в новых типах перевязочных материалов.
При уменьшении размера частиц возрастает отношение поверхности к объему. По этой причине наночастицы существенно легче вступают в химические реакции. В дополнение к этому на уровне менее 100 нм появляются эффекты квантовой физики. Квантовые эффекты могут влиять на оптические, электрические или магнитные свойства материалов непредсказуемым образом.
Маленькие кристаллические образцы некоторых веществ становятся прочнее, поскольку они просто достигают состояния, при котором не могут раскалываться так, как это происходит у больших кристаллов, когда на них воздействуют с усилием. Металлы становятся похожими в некотором отношении на пластмассу.
Каковы перспективы применения нанотехнологий?
Еще в 1986 году футуролог Эрик Дресслер нарисовал образ утопического будущего, в котором самореплицирующиеся (то есть воспроизводящие сами себя) нанороботы выполняют всю необходимую обществу работу. Эти крошечные устройства способны ремонтировать человеческий организм изнутри, делая людей виртуально бессмертными. Нанороботы могут также свободно перемещаться в окружающей среде, что делает их незаменимыми в борьбе с загрязнением этой среды.
Ожидается, что нанотехнологии обеспечат существенный прорыв в компьютерных технологиях, в медицине, а также и в военном деле. Например, медицинская наука разработала способы доставки лекарств непосредственно к раковым тканям в крошечных «нанобомбах». В будущем наноустройства могут «патрулировать» артерии, противодействуя инфекциям и обеспечивая диагностику заболеваний.
Американские ученые успешно использовали покрытые золотом «нанопули» для поиска и разрушения неоперабельных раковых опухолей. Ученые прикрепили нанопули к антителам, которые способны контактировать с раковыми клетками. Если подвергнуть «нанопули» действию излучения, близкого по частоте к инфракрасному, то их температура будет повышаться, что способствует уничтожению канцерогенных тканей.
Исследователи из финансируемого армией США Института армейских нанотехнологий в Кембридже (США) используют нанотехнологии для создания принципиально нового типа обмундирования. Их цель — создать ткань, которая может менять окраску, отклонять в сторону пули и энергию взрывной волны и даже склеивать кости.
Где применяются нанотехнологии в настоящее время?
Нанотехнологии уже используются при производстве жестких дисков персональных компьютеров, каталитических конвертеров — элементов двигателей внутреннего сгорания, теннисных мячей с длительным сроком службы, а также высокопрочных и одновременно легких теннисных ракеток, инструментов для резки металлов, антистатических покрытий для чувствительной электронной аппаратуры, специальных покрытий для окон, обеспечивающих их самоочистку.
Как создаются наноустройства?
В настоящее время используется два основных способа изготовления наноустройств.
Снизу вверх. Сборка наноустройств по принципу «молекула к молекуле» что напоминает сборку дома или автомобиля. Простые наночастицы, такие как используемые в косметике диоксид титана или оксид железа, могут быть получены с помощью химического синтеза.
Можно создавать наноустройства, перетаскивая отдельные атомы с помощью так называемого атомного силового микроскопа (либо сканирующего туннельного микроскопа), достаточно чувствительного для выполнения подобных процедур. Впервые эта методика была продемонстрирована специалистами IBM — с помощью сканирующего туннельного микроскопа они выложили аббревиатуру IBM, расположив соответствующим образом 35 атомов ксенона на поверхности никелевого образца.
Сверху вниз. Эта методика предполагает, что мы используем макроскопический образец и, к примеру, с помощью травления создаем на его поверхности обычные компоненты микроэлектронных устройств с параметрами, характерными для наномасштабов.
Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?
Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».
Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма.
«Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», — говорит Кристен Кулиновски. — Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»
Урок-конференция «Нанотехнологии в жизни человека»
Разделы: Химия
Цель мероприятия: изучить внедрение нанотехнологий в жизнь человека и показать их значимость в современном мире.
1. Развивать у учащихся навыки самообразования, творческие способности.
2. Воспитывать у учащихся уважение к людям науки и их достижениям.
3. Способствовать у учащихся расширению знаний о великих ученых.
1. Вступительное слово ведущего.(Уч.1): “Что такое нанотехнология”.
2. История развития нанотехнологии. (Уч.2).
Области применения нанотехнологий.
3. Нанотехнологии в медицине. (Уч.3).
4. Нанотехнологии в биологии. (Уч.4).
5. Нанотехнологии в косметике. (Уч.5).
Нанотехнологии в промышленности.
6. НТ в пищевой промышленности. (Уч.6).
7. НТ в автомобильной промышленности. (Уч.7).
8. НТ в сельском хозяйстве. (Уч.8).
9. НТ в экологии. (Уч.9).
10. НТ в энергетике. (Уч.10).
11. НТ в строительстве. (Уч.11).
12. НТ в кибернетике и в электронике. (Уч.12).
13. НТ в криминалистике. (Уч.13).
14. НТ в космосе, информационные и военные технологии. (Уч.14).
Заключительное слово ведущего.
Вступительное слово ведущего
1. Что такое нанотехнологии? (Уч. 1)
Нанотехнологии — это способы создания новых материалов, это возможность управлять ими и производить уникальную продукцию, которая будет обладать абсолютно новыми свойствами.
В связи с данным определением возникает естественный вопрос: каким же образом можно манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Попробуем разобраться в этом, а так же раскрыть суть нанонауки, рассмотреть историю ее развития, выделить объекты ее изучения, методы исследования, и, что самое интересное, понять, как человек реализует огромный потенциал нанонауки в повседневной жизни.
2. История развития нанотехнологии. (Уч. 2)
Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно (Приложение 1)
3. Нанотехнологии в медицине. (Уч. 3)
Одно из главных направлений в наномедицине нановакцины и адресная доставка лекарств, суть которой заключается в том, что специальная капсула доставляет молекулы лекарства прямо в пораженную ткань. Эта методика увеличивает эффективность препарата в десятки раз. Кроме того, многии лекарственные препараты очень дороги, а механизм нанодоставки позволяет снизить необходимые объемы вещества в сотни раз делая итоговое лекарство дешевле. Но главное преимущество лекарств в нанокапсулах- отсутствие негативных побочхых эффектов, поскольку препарат не взаимодействует “по пути” с другими тканями и веществами организма (Приложение 2)
4. Нанотехнологии в биологии. (Уч. 4)
Современная биология вплотную приблизилась к решению такой грандиозной задачи как расшифровка последовательности цепочек ДНК (Приложение 3). Биологичекие нанотехнологии-биочипы. Чип – это маленькая пластинка, на поверхности которой размещены рецепторы к различным веществам – белкам, токсинам, аминокислотам. Они могут мгновенно выявлять возбудителей туберкулеза, ВИЧ, особо опасных инфекций, многие яды, антитела к раку и т.п. Нанобиотехнология объединяет в себе достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. Молекулярные биологи помогают нанотехнологам научиться понять и использовать наноструктуры и наномеханизмы, созданные в результате процесса эволюции, длившегося 4 миллиарда лет, – клеточные структуры и биологические молекулы. Использование особых свойств биологических молекул и клеточных процессов помогает биотехнологам в достижении целей, перед которыми бессильны другие методы.
Нанотехнологи также пользуются способностью биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы.
5. Нанотехнологии в косметике. (Уч. 5)
При помощи нанотехнологии можно реально выглядеть на 15-20 лет моложе. Их суть заключается в том, что в состав косметических средств включены наносферы, которые обладают способностью проникать в глубокий подкожный слой. В этих своеобразных микросферах заключены активные компоненты. При помощи нанотехнологии разглаживаются морщины, прыщи, угри, рубцы и пр.
6. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности. (Уч. 6)
Сейчас начинаются исследования по использованию нанотехнологии в пищевой промышленности, и даже введён термин для продуктов такого производства: “наноеда”. Этот термин не означает, что порции теперь будут наноразмера. Он означает, что в технологии будут использованы вкрапления наночастиц, способных помочь решить многие реальные проблемы современного фермера, а так же послужить появлению совсем уж фантастических товаров. Нанотехнологии также могут предоставить пищевикам уникальные возможности по контролю качества и безопасности продуктов в процессе производства. Речь идёт о диагностике с применением различных наносенсоров, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах наличие загрязнений или неблагоприятных агентов. Еще одно невспаханное поле нанотехнологии – это разработка методов транспортировки и хранения продуктов, ведь упаковка не менее важный фактор современной пищевой продукции, чем её содержание.
Среди более далёких перспектив применения нанотехнологий заявляются проекты изготовления унифицированных интерактивных напитков и еды: покупая такую продукцию потребитель при помощи несложных манипуляций сможет изменять цвет, запах и даже вкус продукта.
7. НТ в автомобильной промышленности. (Уч.7). (Приложение 5)
8. Нанотехнологии в с/х. (Уч. 8)
9. Нанотехнологии в экологии. (Уч. 9).
Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Во-первых, за счет насыщения молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Например, в перспективе наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах.
10. Нанотехнологии в энергетике. (Уч. 10)
Стратегической задачей является разработка батарей высокой емкости, которые позволят обеспечить электромобилей на длительные дистанции, а также смогут гарантировать более экономичные режимы работы возобновляемых источников энергии, таких как солнечные батареи и ветроэнергетические установки путем аккумулирования избытков энергии. (Приложение 8)
11. НТ в строительстве. (Уч. 11)
В кибернетике произойдёт переход к объёмным микросхемам, а размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится долговременная быстродействующая память на белковых молекулах, ёмкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным “переселение” человеческого интеллекта в компьютер.
За счёт внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет “разумной” и исключительно комфортной для человека. На всё это, по разным оценкам, понадобится около 100 лет. (Приложение 10).
13. Нанотехнологии в криминалистике. (Уч. 13).
Нанотехнологии находят своё применение при исследовании отпечатков пальцев. Для контрастирования жирных следов пальцев использовали взвесь золотых наночастиц, обладающих гидрофобными свойствами, т.е. способных прилипать к поверхностям, покрытым жиром. Достижения современной нанотехнологии теперь позволят быстро и качественно получить картины отпечатков пальцев с мест преступлений. Современный способ получения криминалистических образцов с нечетких отпечатков пальцев заключается в обработке исследуемой поверхности водной суспензией золота, стабилизированной цитрат-анионами. В кислой среде частички золота прикрепляются к положительно заряженным фрагментам молекулы на месте отпечатка пальца. Полученный образ обрабатывается раствором соли серебра, в результате чего серебро восстанавливается, оставляя следы из темного металла на характеристических канавках отпечатка пальца. Однако раствор золота нестабилен, что создает трудности в воспроизводстве анализа от теста к тесту. Нанотехнология позволит быстро и качественно получить даже нечеткие отпечатки пальцев. Теперь Даниэль Мандлер и Иосиф Алмог из Университета Иерусалима предлагают новый подход. Они заменили традиционно использующийся коллоидный раствор золота на более стабильный эквивалент. Наночастицы золота, предлагаемые в качестве решения израильскими учеными, стабилизированы длинноцепочечными углеводородными радикалами и суспендированы в петролейном эфире. Эти частицы взаимодействуют с жировыми фрагментами отпечатков пальцев за счет гидрофобных взаимодействий и также могут обрабатываться серебром, давая высококачественные отпечатки всего за три минуты обработки.
14. Нанотехнологии в космосе. Информационные и военные технологии. (Уч. 14)
В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники наноприборы до 20 килограмм. Создана система микроспутников. Она менее уязвима при попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя из строя всю космическую связь или разведку, и другое – когда на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы в целом. Соответственно могут быть снижены требования к надежности работы каждого спутника. Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам микроминиатюаризации спутников среди прочного следует отнести создание новых технологий в области оптики, систем связи, способов передачи, приема и обработки больших массивов информации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, позволяющих на два порядка снизить массу и габариты приборов, выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз выше, чем дает возможность при использовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на 20-30 %. Уменьшение массы космической техники решает множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в космосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше всякой полезной аппаратуры для проведения исследований. Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюрные аппараты скоро будут применяться для изучения многих явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы на Земле и в околоземном пространстве. (Приложение 11)
Заключение
Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал.
Одним словом, нас ожидает наномир, о котором мы знаем пока еще очень мало. Почти ничего не знаем. Но будем надеяться, что и ученые и правительства всего мира найдут достаточно сил и средств, чтобы направить достижения нанотехологий на добрые дела без выхода за рамки благоразумия.
