Презентация на тему "Что такое НАНО"

Что такое нано?�

Новые технологии – это то, �что двигает человечество вперёд �на его пути к прогрессу.�

Цели и задачи данной работы это расширение и совершенствование знаний учащихся об окружающем мире, новых достижениях и открытиях. Формирование навыков сравнения, обобщения. Умение выделять главное, развитие творческого интереса, воспитание самостоятельности в поиске материала.

Начало XXI века проходит под знаком нанотехнологий, которые объединяют биологию,химию, IT, физику.

В последние годы 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.

В самом широком смысле 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.

Слайд 3

Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь государства в котором мы живем.

Промышленная революция, начавшись в текстильной промышленности, подтолкнула развитие технологий железнодорожного сообщения.

В дальнейшем рост перевозок различных товаров стал невозможен без новых технологий автомобилестроения. Таким образом, каждая новая технология вызывает рождение и развитие смежных технологий.

Настоящий период времени, в котором мы живём, называют научно-технической революцией или информационной. Начало информационной революции совпало с развитием компьютерных технологий, без которых жизнь современного общества уже не представляется .

Развитие компьютерных технологий всегда было связано с миниатюризацией элементов электронных схем. В настоящее время размер одного логического элемента (транзистора) компьютерной схемы составляет около 10-7 м, и учёные полагают, что дальнейшая миниатюризация элементов компьютера возможна только тогда, когда будут разработаны специальные технологии, получившие название «нанотехнологии».

Слайд 4

В переводе с греческого слово «нано» означает карлик, гном. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Нанометр 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 эритроцитов – 7000 нм, а толщина человеческого волоса – 80 000 нм.

На рисунке слева направо в порядке роста размеров показаны самые разные объекты – от атома до Солнечной системы. 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.

Но если посмотреть на рисунок внимательно, то можно заметить, что существует довольно большой диапазон (в логарифмическом масштабе), 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. И есть все основания считать, что можно заставить наномир работать на нас.

Нанотехнологии используют самые последние достижения химии, физики, биологии.

Слайд 5

Последними исследованиями доказано, что в Древнем Египте нанотехнологии применяли для окрашивания волос в черный цвет. Для этого использовали пасту из извести Са(ОН)2, оксида свинца и воды. В процессе окрашивания получались наночастицы сульфида свинца (галенита), в результате взаимодействия с серой, которая входит в состав кератина, что и обеспечивало равномерное и устойчивое окрашивание

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Около 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "неделимый", для описания самой малой частицы вещества.

В Британском Музее хранится "Кубок Ликурга" (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), 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.

В настоящее время ученые доказали, что размеры этих частиц от 50 до 100 нм.

Слайд 6

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 (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). 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.

В 1704 год Исаак Ньютон высказал предположения об исследовании тайны корпускул;

В 1959 году американский физик Ричард Фейнман заявил: "Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа". "Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле".

В 1959 году Норио Танигучи впервые употребил термин “нанотехнологии";

В 1980 году Эрик Дрекслер использовал этот термин.

Слайд 7

Ричард Филлипс Фейман (1918-1988) выдающийся американский физик. Один из создателей квантовой электродинамики.Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года.

Знаменитая лекция Фейнмана, известная под названием "Там, внизу, ещё много места" считается сегодня стартовой точкой в борьбе за покорение наномира. Она была впервые прочитана в Калифорнийском технологическом институте в1959 году. Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров».

Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским учёным Эриком Дрекслером в начале 1980-х годов и публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии».

Слайд 9

Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их, стали сканирующие зондовые микроскопы - атомно-силовой микроскоп и работающий по аналогичному принципу сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) была разработана Гердом Биннигом и Генрихом Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия.

Слайд 10

Основой АСМ служит зонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (ее называют кантилевером, от английского слова "cantilever" - консоль, балка). На конце кантилевера расположен очень острый шип , оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов . Основной материал-кремний и нитрид кремния.

При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком.

Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени.

Слайд 11

Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 рА до 10 нА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности . В отличие от атомно-силового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп может изучать только поверхности металлов или полупроводников.

Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать для перемещения какого-либо атома в точку, выбранную оператором. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры, т.е. структуры на поверхности, имеющие размеры порядка нанометра. Ещё в 1990 году сотрудники IBM показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей компании на пластинке из никеля.

Конический дифференциал, украшает главную страницу сайта Института молекулярного производства. Составлен Э.Дрекслером из атомов водорода, углерода, кремния, азота, фосфора, водорода и серы общим числом 8298. Компьютерные расчеты показывают, что существование и функционирование ее не противоречит законам физики.

Слайд 12

Занятие учащихся лицея в классе нанотехнологий РГПУ им.А.И. Герцена.

Слайд 13

Наноструктуры можно собирать не только из отдельных атомов или одиночных молекул, но молекулярных блоков. Такими блоками или элементами для создания наноструктур являются графен, углеродные нанотрубки и фуллерены.

Слайд 14

1985 год Ричард Смэлли, Роберт Керл и Гарольд Крото открыли фуллерены, впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

Фуллерены-это молекулы, состоящие из 60 атомов, расположенных в форме сферы. В 1996 году группе ученых была присуждена Нобелевская премия.

Демонстрация видеофрагмента.

Слайд 15

Алюминий с небольшой присадкой (не более 1%) фуллерена приобретает твердость стали.

Слайд 16

Графен – это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, связанных между собой и образующих решётку, каждая ячейка которой напоминает пчелиную соту. Расстояние между ближайшими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм.

Светлые шарики – атомы углерода, а стержни между ними – связи, удерживающие атомы в листе графена.

Слайд 17

Графит, из чего сделаны грифеля обычных карандашей, представляет собой стопку листов графена. Графены в графите очень плохо связаны между собой и могут скользить друг относительно друга. Поэтому, если провести графитом по бумаге, то соприкасающийся с ней лист графена отделяется от графита и остаётся на бумаге. Это и объясняет, почему графитом можно писать.

Слайд 18

Дендримеры – это одна из тропинок в наномир по направлению «снизу-вверх».

Древообразные полимеры – наноструктуры размером от 1 до 10 нм, образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой. Синтез дендримеров – это одна из нанотехнологий, тесно соприкасающихся с химией полимеров. Как и все полимеры, дендримеры состоят из мономеров, и молекулы этих мономеров имеют ветвистую структуру.

Внутри дендримера могут образовываться полости, заполненные веществом, в присутствии которого дендримеры были образованы. Если дендример синтезирован в растворе, содержащем какой-либо лекарственный препарат, то этот дендример становится нанокапсулой с данным лекарственным препаратом. Кроме того, полости внутри дендримера могут содержать вещества с радиоактивной меткой, применяемые для диагностики различных заболеваний.

Слайд 19

В 13 % случаев люди умирают от рака. Эта болезнь убивает ежегодно около 8 миллионов человек во всём мире. Многие типы раковых заболеваний до сих пор считаются неизлечимыми. Научные исследования показывают, что привлечение нанотехнологий может стать мощным инструментом в борьбе с этим заболеванием. Дендримеры – капсулы с ядом для раковых клеток

Раковые клетки для деления и роста нуждаются в большом количестве фолиевой кислоты. Поэтому к поверхности раковых клеток очень хорошо прилипают молекулы фолиевой кислоты, и если внешняя оболочка дендримеров будет содержать молекулы фолиевой кислоты, то такие дендримеры будут избирательно прилипать только к раковым клеткам. С помощью таких дендримеров можно раковые клетки сделать видимыми, если к оболочке дендримеров прикрепить ещё какие-нибудь молекулы, светящиеся, например, под ультрафиолетом. Прикрепив к внешней оболочке дендримера лекарство, убивающее раковые клетки, можно не только обнаружить их, но и убить .

Как утверждают ученые, с помощью нанотехнологий в кровяные клетки человека можно будет встраивать микроскопические датчики, предупреждающие о появлении первых признаков развития болезни.

Слайд 20

Квантовые точки уже сейчас являются удобным инструментом для биологов, чтобы разглядеть различные структуры внутри живых клеток. Различные клеточные структуры одинаково прозрачны и не окрашены. Поэтому, если смотреть на клетку в микроскоп, то ничего, кроме её краёв и не видно. Чтобы сделать заметной определённую структуру клетки, были созданы квантовые точки разных размеров, способные прилипать к определённым внутриклеточным структурам .

К самым маленьким, светящимся зелёным светом, приклеили молекулы, способные прилипать к микротрубочкам, составляющим внутренний скелет клетки. Средние по размеру квантовые точки могут прилипать к мембранам аппарата Гольджи, а самые крупные – к ядру клетки. Клетку окунают в раствор, содержащий все эти квантовые точки, и держат в нём некоторое время, они проникают внутрь и прилипают туда, куда могут. После этого клетку споласкивают в растворе, не содержащем квантовых точек, и под микроскоп. Клеточные структуры стали хорошо заметны.

Красное – ядро; зелёные – микротрубочки; жёлтый – аппарат Гольджи.

Слайд 21

Диоксид титана, TiO2 – самое распространённое соединение титана на земле. Его порошок имеет ослепительно белый цвет и поэтому используется в качестве красителя при производстве красок, бумаги, зубных паст и пластмасс. Причиной - очень высокий показатель преломления (n=2,7).

Оксид титана TiO2 обладает очень сильной каталитической активностью – ускоряет протекание химических реакций. В присутствии ультрафиолетового излучения расщепляет молекулы воды на свободные радикалы – гидроксильные группы ОН- и супероксидные анионы О2- такой высокой активности, что органические соединения разлагаются на углекислый газ и воду.

Каталитическая активность растёт с уменьшением размера его частиц, Поэтому их используют для очистки воды, воздуха и различных поверхностей от органических соединений, которые, как правило, вредны для человека.

Фотокатализаторы можно включать в состав бетона автомобильных дорог., что позволит улучшить экологию вокруг дорог. Кроме того, предлагают добавлять пудру из этих наночастиц в автомобильное топливо, что также должно снизить содержание вредных примесей в выхлопных газах.

Нанесённая на стекло плёнка из наночастиц диоксида титана прозрачна и незаметна для глаза. Однако такое стекло под действием солнечного света способно самоочищаться от органических загрязнений, превращая любую органическую грязь в углекислый газ и воду. Стекло, обработанное наночастицами оксида титана, лишено жирных пятен и поэтому хорошо смачивается водой. В результате, такое стекло меньше запотевает, так как капельки воды сразу распластываются вдоль поверхности стекла, образуют тонкую прозрачную плёнку.

Диоксид титана перестаёт работать в закрытых помещениях, т.к. в искусственном свете практически нет ультрафиолета. Однако учёные считают, что, слегка изменив его структуру, можно будет сделать его чувствительным и к видимой части солнечного спектра. На основе таких наночастиц можно будет изготовить покрытие, например, для туалетных комнат, в результате чего содержание бактерий и другой органики на поверхностях туалетов может снизиться в несколько раз.

Из-за своей способности поглощать ультрафиолетовое излучение диоксид титана уже сейчас применяется при изготовлении солнцезащитных средств, например, кремов. Производители кремов стали использовать его в виде наночастиц, которые настолько малы, что обеспечивают практически абсолютную прозрачность солнцезащитного крема.

Слайд 22

Самоочищающаяся нанотрава и «эффект лотоса»

Нанотехнологии дают возможность создавать поверхность, похожую на массажную микрощётку. Такую поверхность называют нанотравой, и она представляет собой множество параллельных нанопроволок (наностержней) одинаковой длины, расположенных на равном расстоянии друг от друга.

Капля воды, попав на нанотраву, не может проникнуть между нанотравинками, так как этому мешает высокое поверхностное натяжение жидкости.

Чтобы смачиваемость нанотравы сделать ещё меньшим, её поверхность покрывают тонким слоем какого-либо гидрофобного полимера. И тогда не только вода, но и любые частички никогда не прилипнут к нанотраве, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому и частицы грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды.

Самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют «эффектом лотоса», т.к. цветы и листья лотоса чисты даже тогда, когда вода вокруг мутная и грязная. Происходит это из-за того, что листья и цветки не смачиваются водой, поэтому капли воды скатываются с них, как шарики ртути, не оставляя следа и смывая всю грязь. Даже каплям клея и мёда не удаётся удержаться на поверхности листьев лотоса.

Оказалось, что вся поверхность листьев лотоса густо покрыта микропупырышками высотой около 10 мкм, а сами пупырышки, в свою очередь, покрыты микроворсинками ещё меньшего размера. Исследования показали, что все эти микропупырышки и ворсинки сделаны из воска, обладающего, как известно, гидрофобными свойствами, делая поверхность листьев лотоса похожей на нанотраву. Именно пупырчатая структура поверхности листьев лотоса значительно уменьшает их смачиваемость. Для сравнения: относительно гладкая поверхность листа магнолии, который не обладает способностью к самоочищению.

Таким образом, нанотехнологии позволяют создавать самоочищающиеся покрытия и материалы, обладающие также водоотталкивающими свойствами. Материалы, изготовленные из таких тканей, остаются всегда чистыми. Уже производят самоочищающееся ветровое стекло, внешняя поверхность которого покрыта нановорсинками. На таком стекле «дворникам» делать нечего. Есть в продаже постоянно чистые колесные диски для колёс автомобилей, самоочищающиеся с использованием «эффекта лотоса», и уже сейчас можно покрасить снаружи дом краской, к которой бы грязь не прилипала.

Из покрытого множеством крошечных кремниевых волокон полиэстера, швейцарским ученым удалось создать водонепромакаемый материал.

Слайд 23

Нанопроволоками называют проволоки с диаметром порядка нанометра, изготовленные из металла, полупроводника или диэлектрика. Длина нанопроволок часто может превышать их диаметр в 1000 и более раз. Поэтому нанопроволоки часто называют одномерными структурами, а их чрезвычайно малый диаметр (около 100 размеров атома) даёт возможность проявляться различным квантово-механическим эффектам. В природе нанопроволок не существует.

Уникальные электрические и механические свойства нанопроволок создают предпосылки для их использования в будущих наноэлектронных и наноэлектромеханических приборах, а также в качестве элементов новых композитных материалов и биосенсоров.

Слайд 24

В отличие от транзисторов миниатюризация батареек происходит очень медленно. Размер гальванических элементов питания, приведённый к единице мощности, уменьшился за последние 50 лет лишь в 15 раз, а размер транзистора за это же время уменьшился более чем 1000 раз и составляет сейчас около 100 нм. Известно, что размер автономной электронной схемы часто определяется не её электронной начинкой, а размером источника тока. При этом, чем умней электроника прибора, тем большую батарейку она требует. Поэтому для дальнейшей миниатюризации электронных приборов необходимо разрабатывать, новые типы батареек. И здесь опять помогают нанотехнологии

Компания Toshiba в 2005 году создала прототип литий-ионной аккумуляторной батарейки, отрицательный электрод которой был покрыт нанокристаллами титаната лития, в результате чего площадь электрода выросла в несколько десятков раз. Новый аккумулятор способен набирать 80% своей емкости всего за одну минуту зарядки, в то время как обычные литий-ионные аккумуляторы заряжаются со скоростью 2-3% в минуту, и для полной зарядки им требуется целый час.

Кроме высокой скорости перезарядки аккумуляторы, содержащие электроды из наночастиц, имеют увеличенный срок службы: после 1000 циклов заряда/разряда происходит потеря лишь 1% ее емкости, а общий ресурс новых батарей составляет более 5 тысяч циклов. А ещё, эти аккумуляторы могут работать при температурах до -40оC, теряя при этом лишь 20% заряда против 100% у типичных современных аккумуляторных батарей уже при -25оC.

С 2007 года появились в продаже аккумуляторы с электродами из проводящих наночастиц, которые могут быть установлены на электромобили. Эти литий-ионные аккумуляторы способны запасать энергию до 35 кВт.час, заряжаясь до максимальной ёмкости всего за 10 минут. Сейчас дальность пробега электромобиля с такими аккумуляторами – 200 км, но уже разработана следующая модель этих аккумуляторов, позволяющая увеличить пробег электромобиля до 400 км, что практически сравнимо с максимальным пробегом бензиновых машин (от заправки до заправки).

Слайд 25

Чтобы одно вещество вступило в химическую реакцию с другим, необходимы определённые условия, и очень часто создать такие условия не представляется возможным. Поэтому огромное число химических реакций существует только на бумаге. Для их проведения необходимы катализаторы – вещества, которые способствуют протеканию реакции, но не участвуют в них.

Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок тоже обладает большой каталитической активностью. Они считают, что при сворачивании «графитового» листа из атомов углерода в трубочку концентрация электронов на её внутренней поверхности становится меньше. Это и объясняет, способность внутренней поверхности нанотрубок ослаблять, например, связь между атомами кислорода и углерода в молекуле СО, становясь катализатором окисления СО до СО2.

Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок (Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию, о которой только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси окиси углерода и водорода), получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы.

На самом деле человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже не подозревая об этом. Мы с вами об этом узнали в начале нашего знакомства, услышали понятие нанотехнологии, узнали историю и имена ученых, которые позволили совершить такой качественный скачок в развитии технологий, познакомились с самими технологиями и даже услышали историю окрытия фуллеренов от первооткрывателя, лауреата Нобелевской премии Ричарда Смэлли.

Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь государства, в котором мы живём.

Дальнейшее развитие этого направления зависит от вас.