Нанотехнології та галузі їх застосування, Соціальна мережа працівників освіти

Чи можна розібратися в такому складному понятті як нанотехнології, маючи знання учня 8 класу?

Районний конкурс досліджень

Нанотехнології та галузі їх застосування

учень 8 класу МОУ Річна ЗОШ

Васильєв Іван Сергійович

Глава 1. Теоретична частина…………………………………… ………………. 5

Розділ 2. Експериментальна частина

2.1 Короткий словник термінів …………………………………………………. 8

2.2 Коротка історична довідка………………….. ……………………… . 9

2.3 Де застосовуються нанотехнології нині ……….. ……. 11

Мені стало цікаво, що ж це таке – «НАНОТЕХНОЛОГІЇ», якщо на їхнє початкове вивчення виділяються такі суми. Тим більше, що на наступний рік мені доведеться визначатися з професією. Хочеться, щоб моя професія була потрібна на ринку праці і добре оплачувалася. Саме тому я зайнявся цим теоретичним дослідженням.

Гіпотеза: Використовуючи знання 8-класника з хімії, фізики та інших предметів, можна розібратися в такому складному понятті, як «Нанотехнологія».

Тема дослідження: Нанотехнології та галузі їх застосування

Мета дослідження: Розібратися з поняттям «Нанотехнологія»

Розібратися із загальними поняттями на тему дослідження та скласти короткий словник термінів
Скласти коротку історичну довідку
Дізнатися, де застосовуються нанотехнології в даний час і які перспективи їх розвитку
Розповісти про свої дослідження на шкільній конференції «День науки»

Об'єкт вивчення: Частка «нано» та її похідні структури

Предмет вивчення: Технологія роботи з нано частинками

Очікувані результати: Я краще дізнаюся про перспективні напрямки розвитку нашої українськоїнауки та зможу краще орієнтуватися у виборі майбутньої професії.

Інформацію я збирав у Інтернеті. Крім усім нам знайомої Вікіпедії, там існує кілька десятків тисяч сайтів, де ця тема інтенсивно обговорюється. Там викладено не лише окремі статті, а й книги, призначені для школярів. І, звичайно, дуже багато ілюстрацій.

Розділ 1. Теоретична частина

У перекладі з грецької слово "нано" означає карлик. Один нанометр (нм) – це мільярдна частина метра (10-9 м). Нанометр дуже малий. Нанометр у стільки ж разів менше одного метра, скільки товщина пальця менше діаметра Землі. Більшість атомів мають діаметр від 0,1 до 0,2 нм, а товщина ниток ДНК близько 2 нм. Діаметр червоних кров'яних клітин еритроцитів – 7000 нм, а товщина людського волосся – 80000 нм.

Людина вже навчилася отримувати вигоду з об'єктів різних розмірів. Ми можемо розщеплювати ядра атомів, видобуваючи атомну енергію. Проводячи хімічні реакції, ми отримуємо нові молекули та речовини, що мають унікальні властивості. За допомогою спеціальних інструментів людина навчилася створювати об'єкти – від шпилькової головки до величезних споруд, які видно навіть із космосу.

Однак існує досить великий діапазон, куди довгий час не ступала нога вчених - між сотнею нанометрів і 0,1 нм. З об'єктами, що мають розмір від 0,1 нм до 100 нм, і доведеться працювати нанотехнологіям, про які останнім часом так багато говорять. І є всі підстави вважати, що можна змусити наномір працювати на нас.

На наших очах фантастика стає реальністю – стає можливим переміщати окремі атоми та складати з них, як із кубиків, пристрої та механізми надзвичайно малих розмірів і тому невидимі звичайним оком. Нанотехнології,що використовують останні досягнення фізики, хімії та біології – це не просто кількісний, а якісний стрибок від роботи з речовиною до маніпуляції окремими атомами.

Сучасна наука показала, що речовина може мати нові властивості, якщо взяти дуже маленьку частинку цієї речовини. Частинки розмірами від 1 до 1000 нанометрів зазвичай називають «наночастинками». Так, наприклад, виявилося, що наночастинки деяких матеріалів мають дуже хороші каталітичні (змінюють швидкість хімічних реакцій) і адсорбційні (що збирають на поверхні інші речовини) властивості. Інші матеріали показують дивовижні оптичні властивості, наприклад надтонкі плівки органічних матеріалів застосовують для виробництва сонячних батарей. Такі батареї дешевші і можуть бути механічно гнучкими. Вдається домогтися взаємодії штучних наночастинок з природними об'єктами нанорозмірів - білками, нуклеїновими кислотами та ін.

1959 року нобелівський лауреат Річард Фейнман у своєму виступі передбачив, що в майбутньому, навчившись маніпулювати окремими атомами, людство зможе синтезувати все, що завгодно. 1981 року з'явився перший інструмент для маніпуляції атомами — тунельний мікроскоп, винайдений вченими з IBM. Виявилося, що з допомогою цього мікроскопа можна як «бачити» окремі атоми, а й піднімати і переміщати їх. Цим була продемонстрована важлива можливість маніпулювати атомами, а отже, безпосередньо збирати з них, немов із цеглинок, все, що завгодно: будь-який предмет, будь-яка речовина.

Нанотехнології зазвичай ділять на три напрямки:

виготовлення електроннихсхем, елементи яких складаються з кількох атомів

створення наномашин, тобто механізмів та роботів розміром з молекулу

безпосередня маніпуляція атомами та молекулами і складання з них чого завгодно

Нанотехнологія зараз знаходиться в початковій стадії розвитку, оскільки основні відкриття, що передбачаються в цій галузі, поки що не зроблено. Проте, проведені дослідження вже дають практичні результати. Найновішими досягненнями в галузі нанотехнологій є:

Наноматеріали. Матеріали, розроблені на основі наночастинок з унікальними характеристиками, що випливають із мікроскопічних розмірів їх складових (Вуглецеві нанотрубки, Фулерени, Графени, Наноакумулятори)
Промисловий синтез молекул ліків та фармакологічних препаратів чітко визначеної форми
Комп'ютери та мікроелектроніка (жорсткі диски, центральні процесори, електронні атомно-силові мікроскопи, антени тощо)
Нанороботи, розміром можна порівняти з молекулою.

У 1992 році, виступаючи перед комісією Конгресу США, доктор Ерік Дрекслер намалював картину найближчого майбутнього, коли нанотехнології перетворить наш світ. Буде ліквідовано голод, хвороби, забруднення навколишнього середовища та інші нагальні проблеми, що стоять перед людством. Практично все, що необхідно для життя та діяльності людини, може бути виготовлено молекулярними роботами безпосередньо з атомів та молекул навколишнього середовища. Продукти харчування — з ґрунту та повітря, так само, як їх виробляють рослини; кремнієві мікросхеми – з піску. Очевидно, що подібне виробництво буде набагато рентабельнішим та екологічнішим, ніж нинішні промисловість та сільське господарство.

Глава 2. Дослідницька частина

2.1. Короткий словник термінів.

Нанотехнології - це технології роботи з речовиною на рівні окремих атомів. Традиційні методи виробництва працюють із порціями речовини, що складаються з мільярдів і більше атомів. Це означає, що навіть найточніші прилади, вироблені людиною досі, на атомарному рівні виглядають як безладна мішанина. Перехід від маніпуляції з речовиною до маніпуляції окремими атомами – це якісний стрибок, що забезпечує безпрецедентну точність та ефективність.

Нанооб'єкти: - наночастинки, нанопорошки (об'ємні частинки розміром до 100 нм);

- нанопленки (плоські об'єкти розміром до 100 нм);

- нанотрубки, нановолокна (лінійні об'єкти розміром до 100 нм).

Наноматеріали – матеріали, розроблені на основі наночастинок з унікальними характеристиками:

- Вуглецеві нанотрубки - протяжні циліндричні структури діаметром від одного до кількох десятків нанометрів і довжиною до кількох сантиметрів, що складаються зі згорнутих в трубку графітових площин (графенів). Нитка, зроблена з нанотрубок, товщиною з людського волосся, здатна утримувати вантаж у сотні кілограм.

- Фулерени – молекулярні сполуки, які належать класу алотропних форм вуглецю і є опуклі замкнені багатогранники, складені з 60 атомів вуглецю. За відкриття фулеренів американському фізику Р.Смолі та англійським фізикам Х.Крото та Р.Керлу у 1996 році було присуджено Нобелівську премію

- Графен – одиничний шар атомів вуглецю

- Наноакумулятори - мають час зарядки 10-15 хвилин, використовуються в електромобілях.

Нанороботи – роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівняні з молекулою, що володіють функціями руху, обробки та передачі інформації,виконання програм. Нанороботи, здатні до створення власних копій, тобто. самовідтворення, називаються реплікаторами. Можливість створення нанороботів розглянув у своїй книзі "Машини створення" американський вчений Ерік Дрекслер. В даний час вже створені електромеханічні наноустрою, які обмежено здатні до пересування, які можна вважати прототипами нанороботів;

2.2 Коротка історична довідка

Багато джерел, в першу чергу англомовні, першу згадку методів, які згодом будуть названі нанотехнологією, пов'язують з відомим виступом нобелівського лауреата Річарда Фейнмана «Там внизу багато місця», зробленим ним у 1959 році в Каліфорнійському технологічному інституті. Річард Фейнман припустив, що можливо механічно переміщати одиночні атоми за допомогою маніпулятора відповідного розміру, принаймні такий процес не суперечив би відомим на сьогодні фізичним законам.

Цей маніпулятор він запропонував робити у такий спосіб. Необхідно побудувати механізм, який би створював свою копію, тільки на порядок меншу. Створений менший механізм повинен знову створити свою копію, знову на порядок меншу і так до тих пір, поки розміри механізму не будуть порівняти з розмірами одного атома. Останній етап - отриманий механізм збере свою копію окремих атомів. Принципово кількість таких копій необмежена, можна буде за короткий час створити будь-яку кількість таких машин. Ці машини зможуть таким же способом, з атомною збіркою збирати макроречі. Це дозволить зробити речі набагато дешевше — таким роботам (нанороботам) потрібно буде дати тільки необхідну кількість молекул і енергію, і написати програму для складання необхідних предметів.Досі ніхто не зміг спростувати цю можливість, але й нікому поки що не вдалося створити такі механізми.

У широко відомому творі українського письменника М. Лєскова «Лівша» є цікавий фрагмент: Якби, — каже Лівша, — був кращим дрібноскоп, який у п'ять мільйонів збільшує, то ви б зволили, — каже, — побачити, що на кожній підковинці майстрово ім'я виставлено: який український майстер ту підковку робив

Збільшення у 5 000 000 разів забезпечують сучасні електронні та атомно-силові мікроскопи, які вважаються основними інструментами нанотехнологій, таким чином, літературного героя Льовшу можна вважати першим в історії нанотехнологом.

Вперше термін «нанотехнологія» вжив Норіо Танігуті у 1974 році. Він назвав цим терміном виробництво виробів розміром кілька нанометрів. У 1980-х роках цей термін використовував Ерік К. Дрекслер у своїх книгах: «Машини створення: настає ера нанотехнології». Центральне місце у його дослідженнях грали математичні розрахунки, з допомогою яких можна було проаналізувати роботу пристрою розмірами кілька нанометрів.

2.3 Де застосовуються нанотехнології нині?

Нанотехнології вже використовуються при виробництві жорстких дисків персональних комп'ютерів, каталітичних конвертерів - елементів двигунів внутрішнього згоряння, тенісних м'ячів з тривалим терміном служби, а також високоміцних і одночасно легких тенісних ракеток, інструментів для різання металів, антистатичних покриттів для чутливої електронної апаратури , що забезпечують їх самоочищення.

Очікується, що нанотехнології забезпечать суттєвий прорив у комп'ютерних технологіях, медицині, а також у військовій справі. Наприклад, медична наука розробиласпособи доставки ліків безпосередньо до ракових тканин у крихітних нанобомбах. У майбутньому наноустрою можуть «патрулювати» артерії, протидіючи інфекціям та забезпечуючи діагностику захворювань. Американські вчені успішно використовували вкриті золотом «нанопулі» для пошуку та руйнування неоперабельних ракових пухлин. Вчені прикріпили нанопулі до антитіл, які здатні контактувати з раковими клітинами та знищувати їх. Дослідники з фінансованого армією США Інституту армійських нанотехнологій у Кембриджі (США) використовують нанотехнології для створення принципово нового типу обмундирування. Їхня мета — створити тканину, яка може змінювати забарвлення, відхиляти убік кулі та енергію вибухової хвилі і навіть склеювати кістки. ВИСНОВОК

Я вважаю, що повністю реалізував свою гіпотезу: Використовуючи знання 8-класника з хімії, фізики та інших предметів, я розібрався у такому складному понятті, як «нанотехнологія». Я зрозумів, що Нанотехнології є дуже перспективним напрямом досліджень та здатні відкрити людям неймовірні можливості.

Вивченням властивостей наноматеріалів у рамках проведення фундаментально-пошукових та прикладних науково-дослідних робіт займаються майже в усьому світі, за винятком більшості країн Африки та деяких країн Південної Америки. Найбільші успіхи отримані США, Японії, Франції. У нашій країні дослідженнями у галузі нанотехнологій займаються кілька десятків років. Розвиток нанотехнологій в Україні є одним із пріоритетних напрямів науки і техніки, саме тому в 2007 році створено «РОСНАНОТЕХ», який так мене вразив під час читання статті. Прискорений розвиток робіт у галузі нанотехнологій та наноматеріалів покликаний забезпечити реалізацію стратегічних національних пріоритетів України.числі, забезпечення національної та економічної безпеки країни.

Після 9 класу я збираюся вступати до медичного училища. І сподіваюся, що зможу попрацювати із новими розробками нанотехнологій.