Нанотехнологии технология 9 класс конспект и презентация

Обновлено: 07.07.2024

- научить принципам действия нанотехнологий;

- рассмотреть некоторые примеры применимости нанотехнологий в быту.

- развивать мыслительные умения и навыки: анализировать и объяснять результаты эксперимента, выделять главное, выявлять причинно – следственные связи, приводить примеры из жизненного опыта, делать выводы.

- поддерживать интерес к предмету;

- формировать коммуникативные умения работы в команде;

- формировать уважение к одноклассникам, умение слушать и слышать.

Требования ФГОС ООО

(предполагаемые результаты обучения)

- убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества;

- уважение к творцам науки и техники;

- отношение к физике и нанофизике как элементу общественной культуры.

- анализ проблемной ситуации;

- выполнение действий по алгоритму;

- формирование мыслительных операций познания: сопоставления, сравнения, обобщения, моделирования, абстрагирования, анализа.

- принятие учебной цели;

- составление последовательности действий по открытию нового знания;

- следование правилам работы в классном коллективе;

- ориентировка в ситуации принятия решения.

- умение рассуждать, вести диалог, слушать учителя;

- умение работать в парах, слышать и слушать друг друга в процессе исследования.

- понимание предмета изучения нанонауки;

- осознание возможности исследования наномира;

- формирование умения объяснять результаты эксперимента, оперируя знаниями по теме;

- умение работать с научно – популярным текстом, выделяя существенное, формулируя вопросы по тексту.

ТСО : компьютер, проектор, учебное пособие, тексты, рабочая тетрадь с научно- популярными текстами.

Цель: положительный эмоциональный фон,

интереса к предмету

Проверяют готовность к занятию.

Слушают объяснения учителя,

Регулятивные : организация рабочего места, настрой на предстоящую работу

Коммуникативные : формирование навыков общения, сотрудничества

Личностные : личностное самоопределение

Этап актуализации знаний.

- Так, что же изучает данная наука? (наночастицы и наноструктуры).

- Совокупность средств и методов работы с объектами называется технологией. Какие же технологии позволяют изучать и работать с нанообъектами? (нанотехнологии)

- Как вы думаете, почему именно сейчас такая наука, как нанонаука стала стремительно развиваться?

Отвечают на вопросы.

Познавательные : уметь выделять существенное,

Отвечать на вопросы продуктивного характера

Регулятивные : уметь слушать в соответствии с целевой установкой, ориентировка в ситуации принятия решения.

Коммуникативные : принимать решение в ситуации выбора

Цель: выдвижение гипотез путем сравнения

темы и целей урока.

Формулирование темы и целеполагание учащихся.

Метод: от общего к частному

- А сможете ли вы привести примеры применения нанотехнологий в быту?

- Посмотрите на слайд, все эти объекты нам хорошо знакомы и мы практически каждый день пользуемся ими. Сможите объснить так где же здесь используются нанотехнологии? Нет.

-Так чем же мы займемся на этом уроке? Вы теперь можете сформулировать тему урока ?

- Запишите тему занятия

- Какие цели поставим перед собой?

(Выяснить какие сложные технологические решения были применены для изготовления привычных для нас предметов обихода.)

Отвечают на вопросы.

Формулируют тему и цели занятия.

Записывают в тетрадь.

Познавательные : умение прогнозировать, обобщать, сравнивать и анализировать.

Регулятивные : принятие учебной задачи.

Коммуникативные : усвоение информации с помощью видеотехники, умение вести диалог , выразить свою точку зрения.

Личностны е: личностное самоопределение.

Метод: от общего к частному.

- Фильтры для воды. Привычный для многих людей прибор. Высокая степень очистки воды от химических примесей и бактерий обеспечивает мембрана, поры которой имеют размер равный одному нанометру. Пример: один нанометра меньше метра, как одна горошина меньше нашей планеты. Только одно это говорит о качестве очистки воды. Пить можно смело. Только польза для организма.

- Надоедливая пыль. Любая хорошая хозяйка знает, как неприятно постоянно вытирать пыль с мебели. Нанотехнологии позволяют наносить тонкое покрытие на мебель, отталкивающее пыль. Обычный баллон с распылением. Обработал один раз, и долгое время мебель будет чиста. Идеальное решение для любителей порядка.
- Микрофибра. Знакомое слово для многих. Под этим привычным названием таится высокотехнологичное изготовление материала из сверхтонких волокон, переплетение которых образуют тысячи мельчайших пор. Эти микропоры позволяют впитывать влагу гораздо больше, чем сам объем салфетки. Например, салфетка весом 30 грамм способна впитать 400 грамм воды.

- Холодильники с антибактериальным эффектом. Благодаря нанотехнологиям, внутреннее покрытие холодильника тончайшей пленкой из микрочастиц серебра позволяет дезинфицировать воздух, что дает возможность хранить продукты дольше и мыть холодильник намного реже. Очень удобно и практично.

-Кондиционер. Уже привычный многим пользователям бытовой прибор. Он прекрасно справляется с задачей охлаждения воздуха. Но кроме этого нужна еще и очистка воздуха от бактерий и пыли. Это вопрос, важный для здоровья человека. В условиях природы воздух очищается естественной влагой воздуха и ультрафиолетовыми лучами солнца. В помещении это обеспечить сложно. Нанотехнологии пришли на помощь. Специальное покрытие на теплообменнике и электростатическом фильтре обеспечивают задержку вредных частиц и автоматическую очистку элементов кондиционера.
- Лейкопластырь. Кусочек лейкопластыря, которым вы заклеиваете порез, имеет нанослой серебра, помогающий быстрее залечивать рану. Это потому, что серебро имеет антибактериальные свойства, которые действуют лучше с повышением площади поверхности, что обеспечивается наночастицами .

- 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.

- Смартфон. 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. Один аппарат в 2011 году даже пережил падение в кармане скайдайвера.

- Теннисный мяч. 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.

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

- 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.

- 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.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Урок по технологии 9 класс

Задачи - показать школьникам , что инновации вообще и, в области нанотехнологий , в частности, увлекательны и полезны, а также стимулировать интерес, в первую очередь, старшеклассников к обучению в технических вузах и дальнейшей работе в современных наукоемких областях промышленности.

1.Потребительские свойства и характеристики нанообъектов и наноматериалов .

2. Научные исследования в области наноразмерных объектов.

3. Проекты, высокие технологии и технопредпринимательство в мире НАНО.

Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники , имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования , практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами .

01. Углеродные нанотрубки : разорвать невозможно .Что это Трубка, собранная из атомов углерода. Длина трубки теоретически ничем не ограничена, хотя на практике вырастить их длиннее 20 сантиметров пока никому не удалось. Но и это очень много по сравнению с масштабом атома (10 -10 м).

А что сейчас; Пока нанотрубки проще найти в лабораториях, чем в коммерческих продуктах. Однако уже появились композитные материалы с их использованием, и, по заявлениям производителей, они прочнее обычных на несколько десятков процентов. Из таких материалов производят детали для спортивных велосипедов и корпуса яхт.

02. Графен : нобелевский углерод. Самое главное, что мы знаем о графене : за его открытие дали Нобелевскую премию, дали ее русским ученым Гейму и Новоселову, эти русские ученые живут в Великобритании и не хотят переезжать в наше Сколково . По сути, графен — это плоский лист из атомов углерода, первый из открытых двумерных кристаллов , возможность существования которых долгое время вызывала сомнения. Такие кристаллы не могут вырасти из расплава: их скрутит и разорвет тепловыми колебаниями. Но зато плоский лист графена вполне реально оторвать от графита. Причем обыкновенным скотчем, как это сделали нобелевские лауреаты, развлекавшиеся в лаборатории пятничным вечером.

Что можно делать: С графеном связывают еще большие надежды, чем с нанотрубками . Великолепные электрические свойства делают его альтернативой кремниевым полупроводникам. Он исключительно прочен на разрыв, так что конструкторам космического лифта будет из чего выбирать. Кроме того, графен обладает прекрасной теплопроводностью и практически прозрачен. Все это открывает путь к созданию гаджетов будущего — например, контактных линз, на которые можно передавать изображение .

А что сейчас: Обещают, что вот-вот на рынке появятся изделия на основе графена . Но пока он используется главным образом в лабораториях.

03. Аэрогель : облегченная материя. Молекулярная губка из диоксида кремния , углерода или иного вещества, очень-очень пористая — микроскопические пустоты могут составлять до 99% ее объема. Плотность аэрогеля — всего несколько килограммов на кубометр, то есть он лишь в 1,5–2 раза тяжелее воздуха и в 300–500 раз легче воды . Несмотря на свою воздушность, аэрогель весьма прочен: небольшой, со спичечный коробок, кусочек выдерживает на себе кирпич.

Что можно делать: Это едва ли не лучший материал для теплоизоляции в мире : легкий, достаточно прочный, не поддающийся коррозии и гниению, не горящий в огне и, само собой, не тонущий в воде. Аэрогель может радикально сократить потери тепла зданиями или, напротив, снизить расходы на кондиционирование воздуха и работу морозильных установок. На основе углеродного аэрогеля можно создавать суперконденсаторы , сочетающие высокую емкость с возможностью выдавать сильный ток при разрядке.

А что сейчас: Аэрогель стоит безумно дорого и потому пока применяется в основном для космических нужд . Речь идет не только о теплоизоляции марсоходов или скафандров — этот материал использовался как ловушка для рассеянных в космическом пространстве пылинок: панели из аэрогеля были установлены на американском аппарате Stardust . Впрочем, если плитки из аэрогеля не должны быть аккуратными, его стоимость резко падает. Сегодня уже делают куртки с его использованием, причем по вполне доступным ценам (порядка 300 долларов).

04. Сплавы с эффектом памяти: вернуть былую форму Что это Некоторые металлы демонстрируют странное свойство: их можно изогнуть, и они сохранят эту форму, как и полагается пластичному веществу, но только если их не нагревать. Стоит это сделать, как деталь сама восстанавливает первоначальную конфигурацию. Эффект памяти был обнаружен еще до Второй мировой войны, с тех пор его научились много где применять.

Что можно делать: Практически любые предметы, которые должны менять свою форму без вмешательства человека: от втулок до бюстгальтеров, от протезов до автомобилей.

А что сейчас: Эти материалы используются во множестве разных изделий, включая самые оригинальные: еще в 1990-х годах был построен первый робот, ноги которого передвигаются именно благодаря эффекту памяти. Сегодня речь идет о том, чтобы сделать эту технологию еще лучше и дешевле.

А что сейчас: Рекорд пока составляет –163 °С, исследования продвигаются медленно, полноценной теории нет до сих пор. Это одна из особенностей физики: наука знает, что происходило через секунду после Большого взрыва, но при этом не способна предсказать все свойства обычного материала. Более того, никто не знает и того, возможны ли в принципе сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

06. Стекло с добавками: лазер для всех Что это Добавление редкоземельных элементов (например, европия) позволяет превратить обычное стекло в активную среду лазера — материал, в котором свет не затухает, а, напротив, усиливается. Что можно делать Мощные и доступные лазеры, которые можно будет использовать где угодно: хоть при передаче информации, хоть при сварке металла, хоть для термоядерной реакции. Сейчас ученые подбирают все новые добавки, усиливающие нужный эффект.

А что сейчас: Стекла с добавками используют при передаче сигналов по оптоволокну. Каждый бит текста с новостного сайта, каждое перемещение героя в онлайн-игре и каждая нота в музыкальном клипе на ютубе — все это преодолело сотни и тысячи километров стеклянных волокон благодаря атомам редкоземельных элементов. Кстати , в 2010 году одним из лауреатов Государственной премии РФ стал Валентин Гапонцев — физик и самый богатый завкафедрой в России. В начале 1990-х годов Гапонцев разработал и довел до производства лазеры, главный элемент которых представляет оптоволокно с особыми добавками.

07. ДНК-листы: коробочка с белковым замком . ДНК известна прежде всего как носитель наследственной информации. Но нити ДНК можно слеплять друг с другом в плоский лист . И тогда получится новый материал с уникальными свойствами.

Что можно делать: Например , из ДНК можно собрать микроскопическую коробочку для доставки лекарств в нужный орган или для охоты за вирусами и раковыми клетками. У этой коробочки будет крышка с замком из молекулы белка, который отпирается, получив нужный химический сигнал.

08. Метаматериалы : скроить шапку-невидимку. Есть материалы, для которых не очень важно, из чего они сделаны. Их свойства определяет не химический состав, а структура. Метаматериалы — это двух- или трехмерные решетки сложной формы. Они могут обладать отрицательным коэффициентом преломления, этот эффект предсказал еще в 60-х годах советский физик Виктор Веселаго.

Что можно делать: Именно из метаматериалов уже не первый год предлагают делать шапки-невидимки, скрывающие от глаз любой объект: световые волны, подчиняясь внутренней структуре метаматериала , будут огибать его со всех сторон. Британский физик сэр Джон Пендри обещал, что вот-вот появится материал, способный сделать невидимым целый танк .

А что сейчас: Прогнозы сбываются чуть медленнее, чем хотелось бы. Полноценная шапка-невидимка пока не сшита, достигнута лишь невидимость в микроволновом диапазоне излучения. Но борьба за невидимость дает свои результаты, иногда самые неожиданные. Например, по аналогии с системой отрицательного преломления света создается комплекс защиты от сейсмических волн. Только вместо отдельных атомов — вкопанные в землю резиновые блоки.

Что можно делать: Всё, что не требует долговечности: пакеты, упаковочную пленку, рекламные плакаты, мешки для мусора, бутылки, то есть все, что годами лежит на наших газонах и плавает в водоемах. Есть все основания полагать, что лет через десять обычные пакеты в супермаркетах продавать перестанут, на кассе покупателю предложат только пакет, который через несколько недель расползется на мелкие клочья .

А что сейчас: Биодеградируемый пластик уже вышел на рынок. Вопрос только в том, как добиться сочетания низкой стоимости, чистоты производства и удобства для потребителя.

10. Гидрофобные поверхности: украсть идею у лотоса

А что сейчас: В марте 2012 года компания General Electric объявила о том, что создала прототип покрытия, текстура которого на микроуровне повторяет фактуру лепестков лотоса. Такие материалы предназначены для авиации , где борьба с наледью более чем актуальна. О сроках выхода на рынок, впрочем, не сообщается: сначала надо решить ряд проблем, связанных с долговечностью материала.

Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь чему учиться

Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь чему учиться. Леонардо да Винчи НАНОТЕХНОЛОГИИ

Автор: Подшивалова И.А., учитель химии и физики
МОУ ТСОШ № 14, пос. Томилино, Люберецкий район
Московской области

Что же такое нанотехнология? «Я рад тому, что для химии люди нашли новое название

Что же такое нанотехнология?

Предистория нанотехнолгий В этом смысле химики занимаются нанотехно- логиями уже на протя- жении двух с половиной столетий

Предистория нанотехнолгий Среди первых исследо- вателей наноструктур можно назвать извест- ного врача

Попробуем представить всю ничтожность нанометровых масштабов

Попробуем представить всю
ничтожность нанометровых
масштабов. Волос человека
толщиной примерно 0,1 мм.

Нанотехнологии можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами

Нанотехнологии можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами.

Отцом нанотехнологии считают одного из самых знаменитых физиков нашего времени, лауреата

Отцом нанотехнологии считают одного из самых знаменитых физиков нашего времени, лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана

Идея конструирования любых объектов,собирая атомы в определенном порядке подсказана самой природой

Идея конструирования
любых объектов,собирая
атомы в определенном
порядке подсказана
самой природой.
Рога животных, например
значительно крепче
самых лучших образцов
керамического композита
разработанного людьми.

Механизм синтеза белка, определяющий разнообразие и богатство жизни на

Механизм синтеза белка, определяющий
разнообразие и богатство жизни на Земле,
удивителен и экономичен.

Методы исследования нанообъектов

Обычный оптический микроскоп может дать
увеличение в 2000 раз, что недостаточно для работы
с атомами. Для этого был создан туннельный
микроскоп.

Принцип действия туннельного микроскопа

Сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп

В 1986 году за
разработку сканиру-
ющего туннельного
микроскопа
швейцарский ученый
Г.Рорер и немецкий
ученый Г.Биннинг
были удостоены
Нобелевской премии
по физике.

Современный просвечивающий электронный микроскоп

Атомно-силовая микроскопия является разновидностью сканирующей зондовой микроскопии

Атомно-силовая микроскопия является разновидностью
сканирующей зондовой микроскопии. С помощью этой
методики можно исследовать магнитную и электронную структуру поверхности

Молекулярные наномашины Машины создания

Машины создания Эрика
Дрекслера – ассемблеры
Это наномасштабные
роботы, которые запрог-
рамированы на сборку
атомов в наноразмерные
компоненты и механизмы
Но как создать самих
создателей?

Презентация "Нанотехнологии" для 9 класса

Углеродные нанотрубки В 1993 году

В 1993 году Сумио Ииджима открыл однослойные
углеродные нанотрубки в саже. Благодаря своей
структуре из нанотрубок можно создать самые
прочные волокна, проводники и полупроводники,
использовать в биологических системах и
композитах.

Презентация "Нанотехнологии" для 9 класса

В 1985 году была открыта новая разновидность углерода-60, которая получила название фуллерен в честь архитектора и изобретателя

В 1985 году была открыта новая разновидность углерода-60, которая получила название фуллерен в честь архитектора и изобретателя Ричарада Бакминстера Фуллера, спроектировавшего первый геодезический купол.

С появлением нанотрубок NASA был разработан проект по созданию кос- мического лифта, который планируют построить к 2031 году

С появлением нанотрубок
NASA был разработан
проект по созданию кос-
мического лифта, который
планируют построить к
2031 году.
Уже сегодня Вы можете
приобрести первый билет
на лифт, поднимающий
Вас к самой высокой точке
Земли.

Влияние наноразмеров на свойства вещества

В наноразмерном состоянии любые вещества
приобретают уникальные свойства. Алюминий в
обычном состоянии не реагирует с водой, а
переведенный в наноразмерное состояние при
контакте с водой выделяет водород и оксид металла.
Это практически акамулятор водорода для экологически
безопасных автомобилей на водородном топливе.

Влияние наноразмеров на свойства вещества

Яркая окраска коллоидных растворов золота
обусловлена мелкими частицами золота во взвешенном
состоянии.

Военные нанотехнологии «Нанотехнология, безусловно, будет ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверхэффективного, как нас- тупательного, так и обороните- льного вооружения, а также средств связи

Взрывчатые вещества, с высоким поражающим эффектом

1.Взрывчатые вещества, с высоким поражающим эффектом. 2.Машины-хамелеоны, покрытые электромеханической краской, состоящей из наномеханизмов. 3.Жидкая броня для нанобронежилетов. 4.Наноматериалы для экипировки солдат.

Наноэлектроника позволяет улучшить точность наведения на цель, встроенные нанокомпьютеры стали ничтожно малы

Наноэлектроника позволяет улучшить точность наведения на цель, встроенные нанокомпьютеры стали ничтожно малы. Нанопокрытия снижают заметность боевой техники, внешне напоминающие еловые веточки легки и прочны. Длина иголочек равна длине волны радара, поэтому на радаре противника виден только окружающий ландшафт.

Беспилотный самолеты-разведчики

Беспилотный самолеты-разведчики. Робототехника. Самовостанавливающиеся материалы.

К 2015 году экипировка солдат будет полностью основана на нанотехнологиях

Нанотехнологии в медицине Биодатчики

Нанотехнологии в медицине

Раствор наночастиц серебра, обладающий антисептической активностью 2

1.Раствор наночастиц серебра, обладающий антисептической активностью 2.Быстродействующие экспресс-анализаторы. 3.Клетка-наноробот охотится за патогенами в крови человека.

Наноскальпель на основе одностенной углеродной нанотрубки

1.Наноскальпель на основе одностенной углеродной нанотрубки. 2.Введение наношприца в клетку ( в качестве иглы – углеродная нанотрубка). 3.Нанолекарь будущего.

продолжить формирование умений наблюдать, делать выводы, выделять главное.

развивать наблюдательность, внимание, речь, память.

развивать интерес и логическое мышление путем решаемых проблем.

развивать интерес к поиску дополнительной информации через Интернет.

продолжить развивать кругозор учащихся.

воспитывать умение работать в коллективе, осуществлять самостоятельную деятельность.

Тип урока: изучение нового материала

Вид урока: урок-конференция

Организационный момент

2. Мотивационный этап

Ознакомление с планом конференции.

- история возникновения нанотехнологий

-что такое нанотехнология?

- нанотехнология в космосе

- нанотехнология в медецине

- нанотехнология в сельском хозяйстве и промышленности

3. Изучение нового материала

1. История возникновений нанотехнологий

Дедушкой нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества. В течение двадцати с лишним веков люди пытались проникнуть в тайну строения этой частицы. Решение этой непосильной для многих поколений физиков задачи стало возможным в первой половине ХХ века после создания немецкими физиками Максом Кноллом и Эрнстом Руской электронного микроскопа, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота — невозможность создания механизма из одного атома.

2. Что такое нанотехнологии

Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками. Создаваемые искусственно нанообъекты постоянно удивляют исследователей своими свойствами и обещают самые неожиданные перспективы своего применения.

Основной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр – миллиардная доля метра. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.

Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году позволило ученым не только различать отдельные атомы, но и двигать их и собирать из них конструкции, в частности, компоненты будущих наномашин – двигатели, манипуляторы, источники питания, элементы управления. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организме, нанотрубки в 60 раз прочней стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств.

Другим хорошо известным наноэлементом является углеродная нанотрубка. Это одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Впервые эти объекты был получены в 1952 году, но лишь в 1991 году они привлекли внимание ученых. Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Еще одним наноматериалом является графен – двумерный углеродный слой, плоскость, состоящая из атомов углерода. Этот материал был впервые получен русскими физиками, работающими в Англии. Многие ученые полагают, что этот материал, обладающий уникальными свойствами, в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив современные полупроводники. Кроме того, этот материал также невероятно прочен.

Все эти наноэлементы все чаще находят применение в различных областях технологии – от медицины до космических исследований.

3. Нанотехнологии в космосе

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 микроминиатюризации спутников среди прочего 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 обычного никеля, что 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.

Сегодня космос — это не экзотика, и освоение его — не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.).

4. Нанотехнологии в медицине

Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Разработано противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон. Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства.

На протяжении последних лет сотрудники Центра биологических нанотехнологий работают над созданием микродатчиков, которые будут использоваться для обнаружения в организме раковых клеток и борьбы с этой страшной болезнью.

Новая методика распознания раковых клеток базируется на вживлении в тело человека крошечных сферических резервуаров, сделанных из синтетических полимеров под названием дендримеры (от греч. dendron - дерево). Эти полимеры были синтезированы в последнее десятилетие и имеют принципиально новое, не цельное строение, которое напоминает структуру кораллов или дерева.

Оказавшись внутри тела, эти крошечные датчики проникнут в лимфоциты - белые кровяные клетки, обеспечивающие защитную реакцию организма против инфекции и других болезнетворных факторов. При иммунном ответе лимфоидных клеток на определенную болезнь или условия окружающей среды - простуду или воздействие радиации, к примеру, - белковая структура клетки изменяется. Каждый наносенсор, покрытый специальными химическими реактивами, при таких изменениях начнет светиться.

Чтобы увидеть это свечение, ученые собираются создать специальное устройство, сканирующее сетчатку глаза. Лазер такого устройства должен засекать свечение лимфоцитов, когда те один за другим проходят сквозь узкие капилляры глазного дна. Если в лимфоцитах находится достаточное количество помеченных сенсоров, то для того, чтобы выявить повреждение клетки, понадобиться 15-секундное сканирование, заявляют ученые.

стираться. На сегодняшний день создан лишь один примитивный шагающий ДНК-робот.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе, направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК – чипы (создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы, искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей). Это направление тесно связано с идеей искусственной жизни и в перспективе ведёт к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Это связано с расширением понятия жизни за рамки органического

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток). Это является самым радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологии ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нанороботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.

5. Нанотехнологии в сельском хозяйстве и промышленности

Наноеда (nanofood) – термин новый, малопонятный и неказистый. Еда для нанолюдей? Очень маленькие порции? Еда, сработанная на нанофабриках? Нет, конечно. Но всё же это — любопытное направление в пищевой отрасли. Оказывается, наноеда – это целый набор научных идей, которые уже находятся на пути к реализации и применению в промышленности. Во-первых, нанотехнологии могут предоставить пищевикам уникальные возможности по тотальному мониторингу в реальном времени качества и безопасности продуктов непосредственно в процессе производства. Речь идёт о диагностических машинах с применением различных наносенсоров или так называемых квантовых точек, способных быстро и надёжно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. И производство пищи, и её транспортировка, и методы хранения могут получить свою порцию полезных инноваций от нанотехнологической отрасли. По оценке учёных, первые серийные машины такого рода появятся на массовых пищевых производствах в ближайшие четыре года. Но на повестке дня и более радикальные идеи. Вы готовы проглотить наночастицы, которые невозможно увидеть? А что если наночастицы будут целенаправленно использоваться для доставки к точно выбранным частям организма полезных веществ и лекарств? Что если такие нанокапсулы можно будет внедрять в пищевые продукты? Пока ещё никто не употреблял наноеду, но предварительные разработки уже идут. Специалисты говорят, что съедобные наночастицы могут быть сделаны из кремния, керамики или полимеров. И разумеется — органических веществ. И если в отношении безопасности так называемых "мягких" частиц, сходных по строению и составу с биологическими материалами – всё ясно, то "твёрдые" частицы, составленные из неорганических веществ – это большое белое пятно на пересечении двух территорий — нанотехнологии и биологии. Учёные ещё не могут сказать, по каким маршрутам подобные частицы будут путешествовать в теле, и где в результате остановятся. Это ещё предстоит выяснить. Зато некоторые специалисты уже рисуют футуристические картины преимуществ наноеды. Помимо доставки ценных питательных веществ к нужным клеткам. Идея заключается в следующем: каждый покупает один и тот же напиток, но затем потребитель сможет сам управлять наночастицами так, что на его глазах будут меняться вкус, цвет, аромат и концентрация напитка.

Читайте также: