Конкурс "Я иду на урок"

Что такое «нано»?

Цель: дать учащимся представление о наноразмерах.

Ход урока

Учитель. Слово «нанотехнологии» сейчас у всех на слуху. Нанотехнология – это наука, которая занимается созданием устройств размером в несколько нанометров (1 нм – миллиардная доля 1 м). Это много­обещающая область деятельности, результаты которой должны затронуть все сферы жизни общества. По этой причине нанотехнология считается одной из ключевых технологий XXI в., которая призвана повлиять на развитие не только одной отдельной индустрии или отдельного рынка, – она создаст новые возможности для производства материалов, инструментов, в сфере здравоохранения, электроники, обороны, сенсорных технологий и т.д.

Учёные и инженеры за редким исключением убеждены, что нанотехнологии – это будущее человечества. Они способны изменить историю не меньше, чем двигатели внутреннего сгорания 100 лет назад или электричество 200 лет назад. «Эта сфера обладает совершенно гигантским потенциалом, и вполне возможно, что стоящие ныне перед цивилизацией проблемы будут решены благодаря нанотехнологиям», – сказал академик, директор Центра фотохимии РАН Михаил Алфимов.

Все мы не раз слышали слово «нанотехнологии», но все ли знают и понимают, о чём идёт речь? Мы не можем видеть этого, однако продукты нанотехнологии уже вошли в нашу повседневную жизнь, и мы, не задумываясь, используем их. Они в автомобильном оборудовании, персональных компьютерах, косметике, одежде и даже спортивном инвентаре. Нанотехнология – по-настоящему «сильная» наука. она создаёт устройства повышенной функциональности, надёжности и срока эксплуатации. Хороший пример – теннисный мячик. Благодаря наночастицам, включённым в его покрытие для уменьшения проницаемости воздуха, срок эксплуатации увеличился в пять раз, увеличилась и сила отскока. Новая технология производства материалов позволила облегчить и теннисную ракетку.

Давайте вспомним, как развивались представления учёных о строении вещества. Впервые представления о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов – появились в трудах древнегреческих учёных- философов – Левклиппа, Демокрита и Эпикура, живших в V–III вв. до н.э. Все явления природы они пытались объяснить движением этих невидимых частиц.

В эпоху Средневековья атомистические представления были полностью забыты, и в науке более тысячи лет господствовало мистическое учение Аристотеля, утверждавшего, что основу мира составляют четыре начала – вода, земля, воздух и огонь.

Возвращение атомистических представлений стало возможным с началом эпохи Возрождения, благодаря трудам первых учёных-экспериментаторов. Огромную роль в этом сыграли исследования Роберта Бойля и Исаака Ньютона. Р.Бойль, более 10 лет проводивший различные эксперименты, написал книгу «Химик-Скептик», в которой доказал полную несостоятельность начал Аристотеля.

Однако окончательное атомно-молекулярное учение утвердилось лишь к середине XIX в. В 1860 г. на международном конгрессе химиков в Карлсруэ были даны первые научные определения атома и молекулы. Наука развивалась, и в конце XIX–начале XX вв. произошли великие открытия в физике, которые в очередной раз изменили представления человечества об атоме.

Приставка нано- (греч. νάνο – карлик) означает одна миллиардная доля. 1 нм – это одна миллиардная доля метра, 10^–9 м. Как представить себе такую короткую дистанцию? Для сравнения: человеческий волос приблизительно в 60 000 раз толще одной молекулы. В латыни нано имеет значение маленький, крошечный. И действительно, 1 нм – это очень маленькая величина, увидеть невооружённым глазом объекты такого размера невозможно. Для сравнения заметим, что волосы человека растут со скоростью 10 нм в секунду (а мы этого не замечаем!), а толщина одного волоска составляет почти 100 000 нм, или 100 мкм. Наноразмерный масштаб используют для характеристики самых маленьких объектов, например, атомов и молекул.

Как представить себе нанометровую величину? Проще всего это сделать с помощью копеечной монеты: её диаметр относится к диаметру Земли так же, как нанометр к метру (кстати, если каждый житель Земли даст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора, – даже при том, что некоторые, как обычно, пожадничают).

Уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной… 170 км.

Конечно, это только фантазии. Таких крошечных человечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа, вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубеже примерно 10 нм – такие размеры имеют сложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десятки раз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (1 ангстрем равен 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода составляет 0,14 нм.

Здесь проходит нижняя граница наномира, мира наномасштабов. Именно в наномире идут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этими процессами и работают нанотехнологи.

Лучший способ познать это – сравнить... Иногда путешествие в глубь материи по шкале масштабов называют путешествием по пятому измерению в дополнение к уже существующим четырём – трём пространственным и времени. Нанометры являются привычными единицами для описания длин волн света. Например, видимый свет имеет длины волн в диапазоне от 400 до 700 нм. В нанометрах измеряют также размеры микроорганизмов, клеток и их частей, биомолекул. Вот лишь некоторые примеры (см. слайд).

Чтобы лучше себе представить размеры нанометра, предлагаю вам решить занимательные задачи.

1. Когда-то, говорят, Чингис-хан приказал каждому из своих воинов принести по камню к его шатру. Приказано – сделано. Выросла гора. А что, если каждый человек на земном шаре принесёт по одной единственной квантовой точке (диаметр 10 нм, плотность 7 г/см³) и положит её около штаб-квартиры государственной корпорации «Роснанотех» в кучу, то какую массу будет иметь эта куча?

2. Приблизительно сколько раз можно обернуть вокруг талии углеродной нанотрубкой показанную на фотографии (слайд) флейтистку, если длину нанотрубки увеличить во столько же раз, во сколько раз её диаметр увеличить до диаметра флейты? Считать длину окружности талии девушки равной 60 см, принять соотношение длины нанотрубок к их диаметру равным 100. Диаметры флейты и нанотрубки оценить из фотографий.

3. Сколько нанороботов сможет уместиться на острие швейной иглы? А иглы атомно-силового микроскопа?

ДЗ. Нарисуйте наномасштаб (объекты для сравнения придумайте самостоятельно).

Решения задач

1. Пусть d – диаметр одной квантовой точки, V – её объём, m – масса, ρ – плотность, N – численность населения Земли, M – масса кучи из квантовых точек.

По условию задачи, d = 10 нм = 10^–8 м, ρ = 7 г/см³ = = 7 ∙ 10⁶ г/м³. Примем, что население Земли в настоящее время составляет 6 млрд, т.е. N = 6 ∙ 10⁹.

Масса кучи из квантовых точек: M = N ∙ m = NρV.

Пусть квантовая точка имеет форму шара, тогда её объём V = (4πR³)/3 = (πd³)/6, а масса M = Nρ(πd³)/6 = (6 ∙ 10⁹ ∙ 7∙10⁶ г/м³ ∙ 3,14 ∙ (10^-8)³ м³)/6 ≈ 2,2 ∙10^-9 г.

2. Пусть d – диаметр нанотрубки, D – диаметр флейты, L – длина окружности талии девушки, l – длина исходной нанотрубки, l_ув – длина увеличенной нанотрубки, N – число витков увеличенной нанотрубки вокруг талии девушки.

По условию задачи, L = 0,6 м; l = 100d; l_ув = 100D.

Из рисунка оценим: D ~ 0,02 м, тогда l_ув = 2 м.

Тогда увеличенную нанотрубку можно обернуть вокруг талии девушки: N = l_ув/L = 2 м / 0,6 м ≈ 3 раза.

3. Для решения нужно оценить размер наноробота, радиус острия швейной иглы и радиус иглы атомно-силового микроскопа. Пусть наноробот при посадке на поверхность занимает площадь в форме круга радиусом 100 нм, а острия швейной иглыы и иглы атомно-силового микроскопа представляют собой также плоские окружности. Кроме того, допустим, что нанороботы при посадке на остриё иглы «утрамбовываются» и занимают всю предоставленную им площадь.

Пусть r_нр – радиус площадки, занимаемой нанороботом; R_ши – радиус площадки на острие швейной иглы; R_асм – радиус площадки на острие атомно-силового микроскопа; N_ши – число нанороботов, которые разместятся на острие швейной иглы; N_асм – число нанороботов, которые разместятся на острие иглы атомно-силового микроскопа.

Примем: r_нр = 100 нм = 10^–7 м, R_ши = 0,1 мм = 10^–4 м, R_асм = 1 нм = 10^–9 м.

Площадь, занимаемая одним нанороботом:

S_нр = πr_нр² = (10^–7)² π = 10^-14π м².

Площадь площадки на острие швейной иглы:

S_ши = πR_ши² = (10^-4)²π = 10^-8π м².

Площадь площадки на острие атомно-силового микроскопа: S_асм = πR_асм² = (10^-9)²π = 10^-18π м².

Тогда число нанороботов, которые разместятся на острие швейной иглы, составляет:

N_ши = S_ши/ S_нр = 10^-8π м² /10^-14π м² = 10⁶,

а на острие атомно-силового микроскопа:

N_асм = S_асм / S_нр = 10^-18π м² /10^-14π м² = 10^-4, т.е. ни одного!

---

Урок сопрождается презентацией, которая полностью представлена в электронных приложениях, как и презентация ученицы Горловой Татьяны. – Ред.