Можно ли разобраться в таком сложном понятии, как нанотехнологии, имея знания учащегося 8 класса?
Вложение | Размер |
---|---|
rechnaya_oosh_nanotehnologii.rar | 1.32 МБ |
Районный конкурс исследовательских работ
«Старт в науку»
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
Нанотехнологии и области их применения
Выполнил:
ученик 8 класса МОУ Речная ООШ
Адамовского района
Васильев Иван Сергеевич
Руководитель:
учитель химии высшей категории
Зеленкова В.Д.
п.Речной , 2011г.
Содержание
Введение ……………………………………………………………………………. 3
Глава 1. Теоретическая часть…………………………………… ………………. 5
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1 Краткий словарь терминов …………………………………………………. 8
2.2 Краткая историческая справка………………….. ……………………… . 9
2.3 Где применяются нанотехнологии в настоящее время ……….. ……... 11
Заключение……………………………………………………………………….. 12
Интернет-ресурсы………………………………………………………………... 13
Приложения ……………………………………………………………………......14
ВВЕДЕНИЕ
На весенних каникулах, читая журнал «Знание – сила», я наткнулся на статью, в которой рассказывалось о том, что 4 июля 2007 года Государственной думой принят Федеральный закон «О Российской корпорации нанотехнологий». 6 июля Закон был одобрен Советом Федерации. Эта корпорация призвана добывать не природный газ или нефть, а научные идеи, открытия, изобретения, так или иначе связанные с нанотехнологиями. «РОСНАНОТЕХ» напрямую подчиняется правительству и президенту, на него не распространяется закон о банкротстве, а прибыль не подлежит изъятию. Впечатляют и финансовые возможности: на проведение начальных исследований в 2007- 2012 году выделяется 200 миллиардов рублей. Не исключено, что объем финансирования корпорации будет увеличен чуть ли не 100 раз… Сегодня в Корпорации сосредоточены одни из лучших специалистов страны, способных наладить взаимовыгодное сотрудничество между наукой, бизнесом и государством.
Мне стало интересно, что же это такое – «НАНОТЕХНОЛОГИИ», если на их начальное изучение выделяются такие суммы. Тем более, что на будущий год мне предстоит определяться с профессией. Хочется, чтобы моя профессия была востребована на рынке труда и хорошо оплачивалась. Именно поэтому я и занялся этим теоретическим исследованием.
Гипотеза: Используя знания 8-классника по химии, физике и другим предметам, можно разобраться в таком сложном понятии, как «Нанотехнология».
Тема исследования: Нанотехнологии и области их применения
Цель исследования: Разобраться с понятием «Нанотехнология»
Задачи исследования:
Объект изучения: Частица «нано» и её производные структуры
Предмет изучения: Технология работы с «нано» частицами
Ожидаемые результаты: Я лучше узнаю перспективные направления развития нашей российской науки и смогу лучше ориентироваться в выборе будущей профессии.
Информацию я собирал в Интернете. Кроме всем нам знакомой Википедии там существует несколько десятков тысяч сайтов, где эта тема интенсивно обсуждается. Там выложены не только отдельные статьи, но и книги, предназначенные для школьников. И, конечно же, очень много иллюстраций.
Глава 1. Теоретическая часть
В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Нанометр очень и очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Диаметр красных кровяных клеток эритроцитов – 7000 нм, а толщина человеческого волоса – 80000 нм.
Человек уже научился извлекать выгоду из объектов самых разных размеров. Мы можем расщеплять ядра атомов, добывая атомную энергию. Проводя химические реакции, мы получаем новые молекулы и вещества, обладающие уникальными свойствами. С помощью специальных инструментов человек научился создавать объекты – от булавочной головки до огромнейших сооружений, которые видны даже из космоса.
Однако, существует довольно большой диапазон, куда долгое время не ступала нога учёных – между сотней нанометров и 0,1 нм. С объектами, имеющими размер от 0,1 нм до 100 нм, и предстоит работать нанотехнологиям, о которых в последнее время так много говорят. И есть все основания считать, что можно заставить наномир работать на нас.
На наших глазах фантастика становится реальностью – становится возможным перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Нанотехнологии, использующие самые последние достижения физики, химии и биологии – это не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами.
Современная наука показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические (изменяющие скорость химических реакций) и адсорбционные (собирающие на поверхности другие вещества) свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи более дешевые и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры, также проявляющие необычные свойства.
В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
Нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Новейшими достижениями в области нанотехнологий являются следующие:
В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания — из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы — из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство.
Глава 2. Исследовательская часть
2.1. Краткий словарь терминов.
Нанотехнологии — это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами — это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.
Нанообъекты:
- наночастицы, нанопорошки (объёмные частицы размером до 100 нм);
- наноплёнки (плоские объекты размером до 100 нм);
- нанотрубки, нановолокна (линейные объекты размером до 100 нм).
Наноматериалы - материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками:
- Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из свёрнутых в трубку графитовых плоскостей (графенов). Нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос, способна удерживать груз в сотни килограмм.
- Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из 60 атомов углерода. За открытие фуллеренов американскому физику Р.Смоли и английским физикам Х.Крото и Р.Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия
- Графен – единичный слой атомов углерода
- Наноаккумуляторы –имеют время зарядки 10-15 минут, используются в электромобилях.
Нанороботы – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер. В настоящее время уже созданы электромеханические наноустройства, ограниченно способные к передвижению, которые можно считать прототипами нанороботов;
Нанобактерии — круглые либо овальные органо-минеральные структуры размером от 30 до 200 нм, способные к самостоятельному размножению. Термин нанобактерии впервые ввёл Ричард Морита в 1988, однако "отцом" нанобактерий считается Роберт Фолк. Начиная с 1992 он опубликовал серию работ по нанобактериям.
2.2 Краткая историческая справка
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана «Там внизу много места», сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
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. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое 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.
Изложенные Фейнманом в лекции идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931году.
В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент: Если бы, — говорит Левша, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал
Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий, таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.
2.3 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.
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 и уничтожать их.
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.
Я считаю, что полностью реализовал свою гипотезу: Используя знания 8-классника по химии, физике и другим предметам, я разобрался в таком сложном понятии, как «нанотехнология». Я понял, что Нанотехнологии являются очень перспективным направлением исследований и способны открыть людям невероятные возможности.
Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире, за исключением большинства стран Африки и некоторых стран Южной Америки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. Развитие нанотехнологий в России является одним из приоритетных направлений науки и техники, именно поэтому в 2007 году создан «РОСНАНОТЕХ», который так меня поразил при чтении статьи. Ускоренное развитие работ в области нанотехнологий и наноматериалов призвано обеспечить реализацию стратегических национальных приоритетов Российской Федерации, в том числе, обеспечение национальной и экономической безопасности страны.
После 9 класса я собираюсь поступать в медицинское училище. И надеюсь, что смогу поработать с новыми разработками нанотехнологий.
Интернет-ресурсы
Приложения
Ричард Фейнман – первое упоминание методов,
которые впоследствии будут названы нанотехнологией
Герой рассказа Н.С Лескова
ЛЕВША -
первый в мире нанотехнолог
Место Нанотехнологий среди других наук.
Графены, углеродные нанотрубки
и фуллерены -
основные элементы для создания
наноструктур
Медицинские нанороботы, нанозонды и наноманипуляторы
– новейшие разработки российских учёных
– уже нашли своё место в современных больницах
Бактерии обладают естественной способностью проникать в живые клетки, являясь идеальными кандидатами для доставки лекарств.
Кроме того, можно заставить бактерии переносить наночастиц с ядом по адресу, например, убивать раковые клетки.
Цифровая фотография в биометрическом паспорте наносится особенным образом, и этот процесс невозможно подделать.
Юрий Визбор. Милая моя
Как я избавился от обидчивости
Сторож
Разноцветное дерево
Как представляли себе будущее в далеком 1960-м году