Проведение экспериментов в области нанотехнологий на уроках физики как способ мотивации учащихся к работе в области инновационных технологий.

Введение

Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах.

Цель работы:

раскрыть понятие нанотехнологии, изучить физические и химические основы этого направления науки.

Задачи:

• Дать определение нанотехнологии
• Изучить основные задачи нанотехнологии
• Рассмотреть применение нанотехнологий в физике на примере следующих экспериментов: гидрофобизация поверхностей; повышение электропроводности стекла с помощью оксидов индия и олова( ITO ); наблюдение магнитных линий и разделение материалов по плотности с помощью магнитной жидкости; сплавы с памятью формы – перемещение атомов на нанорасстояния.

Актуальность темы исследования нанотехнологии связана с ее малоизученностью и необходимостью восполнения недостающей научной информации, т. к. нанотехнология - это современная наука, которая не стоит на месте. Сейчас нет ни одной технологии, в которой бы не использовались нанотехнологии. Результаты, проведенных нами, простейших экспериментов свидетельствуют о возможности применять нанотехнологии в медицине, стоматологии, аэрокосмической области, автомобильной промышленности, компьютерной технике и других областях деятельности человека. А использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Нанотехнология

Нанотехнология (греч. nanos — «карлик» + «техно» — искусство, + «логос» — учение, понятие) — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, занимающаяся новаторскими методами (в сферах теоретического обоснования, экспериментальных методов исследования, анализа и синтеза, а также в области новых производств) получения новых материалов с заданными нужными свойствами.

Вообще нанотехнология ( НТ ) занимается структурами, которые не превышают значений 100 нм или меньших, и используют материалы или устройства в пределах этих размеров. Нанотехнология очень разнообразна, она распространяется в областях исследований, начиная с обычных физических устройств, включая полностью новые направления на молекулярно-атомном уровне. В нанотехнологии применяют новейшие технологии манипулирования единичными атомами или молекулами (перемещение, перестановки, новые сочетания).

• Используются самые разные методы (механические, химические, электрохимические, электрические, биохимические, электроннолучевые, лазерные) для искусственной организации заданной атомарной и молекулярной структуры нанообъектов, для создания микроскопических устройств.
• Изучение разнообразных свойств объектов и разработка технических устройств позволяет управлять элементами с размерами порядка нанометра, отсюда и происходит название «нанотехнология» .

От эффекта лотоса до технического применения нанослоев: гидрофобизация поверхностей

• Цветок лотоса знаком специалистам по бионанотехнологиям благодаря способности отталкивать грязь, пыль и воду. Эти свойства цветка и получили название «эффект лотоса». В природе растения подвержены воздействию загрязнений разных типов: неорганические вещества (пыль, сажа), органические вещества (например, споры грибков, медвяная роса, микроводоросли). Способность растений к самоочистке – это изящное решение природы по устранению всех перечисленных проблем.

• Листья растений разных видов сильно отличаются по их способности в смачиванию. Некоторые из них вообще не смачиваются жидкостями. Капли воды скатываются по поверхности, легко смывают непрочно осевшие на ней инородные частицы и уносят их с собой, очищая лист. Если рассмотреть поверхность лотоса под сканирующим электронным микроскопом, можно увидеть, что она не гладкая, а довольно шероховатая из-за находящихся на ней кристаллов воска. Поскольку эти кристаллы очень малы, то невозможно ни увидеть их невооруженным глазом, ни почувствовать на ощупь. Степень смачиваемости поверхности зависит от ее микро- или наноструктуры.

• Физический смысл эффекта смачиваемости заключается в определенном соотношении сил поверхностного натяжения на границах раздела фаз: вода - воздух, вода - твердое тело, твердое тело - воздух. Степень смачиваемости поверхности можно определить по величине угла, образованного поверхностью твердого тела и касательной к поверхности капли в точке ее контакта с поверхностью. Этот угол называется краевым и зависит от соотношения межфазных сил поверхностного натяжения.

Поверхность будет гидрофильной (полностью смачиваемой), если краевой угол меньше 90°. Если этот угол больше 90°, то поверхность будет гидрофобной (абсолютно не смачиваемой), полностью отталкивающей воду и, следовательно, водонепроницаемой. Краевой угол для обычных водоотталкивающих веществ (например, фторопласта) не превышает 120°. Для некоторых искусственно созданных веществ краевой угол может достигать 170°. Данные поверхности называют сверхгидрофобными. Капля воды не способна растекаться по такой водоотталкивающей поверхности с микрошероховатестями, она стягивается в шарик и скатывается с поверхности при малейшем наклоне.

• Этот эффект можно наблюдать и у некоторых представителей животного мира. Например. Обыкновенный навозный жук, выделяя воскообразные вещества, придает своей поверхности способность к самоочищению, никакая грязь с вредными микроорганизмами к нему не прилипает. Стрекоза и бабочки также обрабатывают воском свои крылышки.
• Сегодня ученые пытаются воспроизвести гидрофобные свойства созданных природой поверхностей. Эти покрытия толщиной лишь несколько нанометров состоят в основном из одного органического (органический растворитель) и одного неорганического компонента (диоксид кремния, диоксид циркония или диоксид титана).

Воспроизведение эффекта лотоса

Приборы и материалы: Пипетки, бумага различных типов, листья растений, мелкодисперсная пыль, вода, линейка с миллиметровой шкалой.

Этапы проведения эксперимента и выводы:

Собираем образцы бумаги разных типов (глянцевую, тетрадную и фильтровальную). С помощью пипетки наносим одинаковые по объему капли воды, измеряем линейкой диаметр капель. На гидрофобных поверхностях диаметр капель будет минимальным, а кривизна поверхности самой большой. Фильтровальная бумага полностью впитывает воду и является гидрофильной.

• Определяем, листья каких растений обладают самой водоотталкивающей поверхностью.

Фикус   Ficus

Роициссус (березка)

Малочай

Лавр благородный

• Из множества листьев комнатных растений поверхность листа молочая обладает самыми выраженными гидрофобными свойствами: диаметр капли составляет 4 мм, краевой угол 170°.

170 °

• Посыпаем эти листья пылью или пеплом, капаем несколько капель воды на загрязненную поверхность и наклоняем лист. Капли воды, скатываясь с листа, захватывают частички пыли, оставляя на нем чистые полосы.

• Осторожно протрем лист пальцем, чтобы он не порвался и нанесем на него каплю воды. Будет видно, что водоотталкивающие свойства поверхности заметно ухудшились или даже полностью исчезли. Это объясняется тем, что микро- наноструктуры поверхности листа были нарушены. Однако растения регенирируют и восстанавливают разрушенные наноструктуры, а тем самым и водоотталкивающие свойства поверхности листьев. Такие процессы называются самоструктурированием. Молодые листья растений обладают лучшими гидрофобными свойствами по сравнению со старыми.

Гидрофобизация поверхности дерева

Приборы и материалы:

Необработанная древесина, баллончик с аэрозолем «Покрытие для дерева и камня». При проведении эксперимента необходимо использовать средства индивидуальной защиты: защитные очки, лабораторные халаты и фартуки, защитные перчатки. Не вдыхать пары аэрозоли, на рабочем месте иметь хорошую вентиляцию.

Проведение эксперимента

• Подбираем необработанные деревянные поверхности, тщательно очищаем, удаляем налет и просушиваем.
• Распыляем на поверхность гидрофобизирующий состав из баллончика так, чтобы он покрыл ее сплошным слоем.
• Водоотталкивающий эффект проявится только на абсолютно сухой поверхности. Для полного высыхания состава потребуется от 2 до 6 часов – в зависимости от температуры окружающей среды (не выше 40°С).
• Подвергаем гидрофобизирующую поверхность испытаниям на воздействие воды.

Вывод:

Мы увидели проявление отталкивающего эффекта с четко выраженным образованием капель. Под действием сил поверхностного натяжения вода стремится принять шарообразную форму, поскольку такая форма наиболее выгодна энергетически – при минимальной площади поверхности шар имеет максимальный объем. На каплю действует сила тяжести, которая стремится расплющить ее. Цепочки молекул отвердевшего гидрофобизирующего состава образуют на поверхности износостойкие слои, которые снижают ее свободную энергию. На гидрофобизированной поверхности взаимодействия жидкости и твердого тела минимизированы, что приводит к увеличению краевого угла смачивания. Полностью высохшее покрытие является довольно износостойким, но его можно легко разрушить с помощью химических веществ.

Области применения: Строительство, строительные материалы

Гидрофобизация поверхности тканей

• Для того чтобы придать поверхностям ткани и бумаги водо- и маслоотталкивающие свойства необходимо сформировать на этих поверхностях невидимую пленку, толщиной всего несколько нанометров. Через водоотталкивающий слой на поверхности ткани или бумаги вода проникает значительно медленнее, а количество загрязнений, остающихся на поверхности, уменьшается.

Приборы и материалы:

Ткани, не обработанные гидрофобизирующим составом, баллончик с аэрозолем «Покрытие для ткани».

• Ткань постирать, тщательно прополоскать, чтобы удалить все специальные текстильные вещества (химические средства или смазочные материалы), полностью высушить.
• Тщательно взболтать содержимое баллончика и распылить на сухую ткань до образования тонкого влажного слоя покрытия.
• Высушить покрытие при комнатной температуре не менее часа или нагреть до 160°С феном для волос.
• Подвергаем гидрофобизированную ткань испытаниям на воздействие воды или других жидкостей.

Вывод:

• Обработанная ткань не впитывает большинство жидкостей, которые после гидрофобизации собираются в капли и скатываются с нее. Поскольку гидрофобизирующий состав образует тонкую пленку только на нитях, то ткань после обработки может «дышать».

Области применения:

• Обработка текстильных изделий (галстуков, костюмов, дождевиков и т.п.)
• Покрытия для навесов, зонтов и подобных изделий, которые подвергаются постоянному воздействию атмосферных осадков.

Повышение электропроводности стекла с помощью оксидов индия и олова( ITO )

Приборы и материалы: стекло со слоем ITO , необработанное стекло, три провода с зажимами, электрическая батарея 4,5 В, светодиод.

ITO – пленка –( indium tin oxide ) – это пленка, образованная из оксидов индия и олова. Она является полупроводником и в то же время прозрачна, то есть ее свойства идеально подходят для создания электропроводного стекла.

Проведение эксперимента:

Собираем электрическую схему, как показано на рисунке, и сначала включаем в неё необработанное стекло. Положительный плюс батареи нужно подсоединить к длинному проводу, идущему от светодиода. Светодиоды проводят электрический ток только в одном направлении. Наблюдаем за светодиодом. Затем вставляем в схему стекло с покрытием ITO и повторяем эксперимент.

Вывод:

Обычное стекло не способно проводить электрический ток, о чём свидетельствует отсутствие сигнала светодиода.

Вывод:

Стекло с покрытием ITO проводит электрический ток. В этом случае мы наблюдаем мигающий сигнал светодиода.

Области применения:

• Фотоэлектроды
• Солнечные элементы
• Прозрачные электрические контакты в жидкокристаллических дисплеях
• Электролюминесцентные индикаторы, например органические светодиоды
• Автомобильные стёкла с электроподогревом или с другие стёкла с особыми функциональными свойствами, которые можно включать и отключать.

Солнечные   элементы , изготовленные на основе нанопроволоки.

Магнитная жидкость

• Магнитная жидкость – устойчивая система, состоящая из коллоидных наночастиц магнитных материалов, диспергированных в жидкости. Наночастицы магнитных материалов, как правило, представляют собой ферромагнитные металлы, например железо, кобальт или никель. В растворе эти наночастицы диаметром около 10 нм стабилизированы с помощью ПАВ – поверхностно активных веществ, которые предотвращают слипание наночастиц между собой и удерживают их во взвешенном состоянии.
• Магнитные жидкости со временем не теряют своей стабильности, а наночастицы в них не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже при воздействии очень сильных магнитных полей.

Приборы и материалы: Магнитная жидкость, чистая

пробирка с завинчивающейся крышкой, раствор

поверхностно активного вещества, постоянный магнит,

пипетка, вода.

Описание эксперимента:

Наполним пробирку на ¾ водой и добавим в нее 5 капель раствора ПАВ. С помощью пипетки добавим магнитную жидкость. Плотно закроем пробирку крышкой. Если подвести магнит к пробирке, то магнитная жидкость притянется к магниту, приняв форму «ёжика».

С помощью магнитных жидкостей можно наглядно продемонстрировать, как магнитное поле окружает постоянный магнит, как оно распространяется от северного полюса магнита к южному полюсу и замыкается. Магнитные жидкости вытягиваются вдоль силовых линий магнитного поля.

Вывод: Поскольку магнитные наночастицы, оказавшись в магнитном поле, выстраиваются вдоль его силовых линий, формируется характерный «ёжик», «колючки» которого ориентированы вдоль силовых линий. Действующие на наночастицы в магнитной жидкости силы тяжести, поверхностного натяжения и магнитного поля уравновешиваются, в результате чего формируются упорядоченные пространственные структуры.

Области применения:

• герметизация корпусов жёстких дисков приводов компьютеров (в роли уплотнителей магнитная жидкость остается на месте под воздействием сильного магнитного поля, выдерживает высокое давление и адаптируется к отверстиям любой формы)
• в звуковых динамиках для отвода тепла от звуковой катушки и гашения перемещений мембраны
• в самолётах-невидимках (самолеты покрывают специальной краской на основе магнитной жидкости, которая поглощает излучение радаров)
• лечение онкологических заболеваний (введение в организм с целью перегрева раковых клеток)

Разделение материалов по плотности с помощью магнитной жидкости.

Приборы и материалы

Магнитная жидкость, пипетка, постоянный магнит, чашка Петри, вода, монета (из немагнитного металла)

Проведение эксперимента:

Положите монету в чашку Петри, с помощью пипетки заполните чашку Петри магнитной жидкостью. Монета сначала тонет в магнитной жидкости, поскольку ее плотность больше.

Поднесите магнит ко дну чашки, магнитная жидкость притянется ко дну, а монета оторвется от дна и может начать передвигаться по магнитной жидкости. Наночастицы магнитной жидкости, оставшиеся на поверхности монеты, образуют характерную структуру «ёжика», иголки которого направлены вверх.

Вывод:

Магнитные наночастицы в жидкости притягиваются магнитом, и материалы со сравнительно низкой плотностью начинают плавать по поверхности магнитной жидкости .

Применение:

• Автомобильная

промышленность

• Для разделения золота

и драгоценных камней

Сплавы с памятью формы – перемещение атомов на нанорасстояния

Приборы и материалы:

Проволока с ЭПФ в форме скрепки для бумаги, пластмассовый пинцет, термометр, вода, нагретая не выше 70°С, емкость для воды, нагреватель для воды.

Описание эксперимента:

Этот эксперимент проводиться с проволокой, изготовленной из сплава НИТЕНОЛ. Нитенол - общее название сплавов на основе никеля и титана, которая обладает памятью формы. Проволока, которая используется в данном эксперименте, обладает псевдоупругими свойствами.

Проведение эксперимента

Нагреть воду в сосуде, при этом следить за температурой. Согнуть проволоку в какую-нибудь фигуру. Положить в емкость с водой эту фигуру.

Результаты эксперимента

Независимо от того как была согнута проволока, она всегда принимает свою изначальную форму при нагреве до той температуры, при которой она запомнила эту форму.

Применение:

• медицинские технологии (изготовление сосудистых протезов, проволочных проводников катетеров, различных игл и т.п.);
• аэрокосмические технологии (соединительные элементы для самолетов истребителей);
• стоматология (изготовление фиксаторов зубных протезов);
• автомобильная промышленность (автоматические коробки передач, пружина должна открывать клапан при определенной температуре масла вместо дорогостоящего электронного оборудования)

• В завершение хотелось бы отметь, что большую часть нанотехнологий занимает химия, но все разработки в области НТ строятся на основных законах физики.

• 1. «Нанобокс - увлекательные исследования, захватывающие открытия, паразительные эффекты», « NanoBioNet », руководство пользователя, 2013г.
• 2. http:// nanodigest.ru / biznes-analitika / stati / analitika / luchshie-dostizheniia-bioelektroniki
• 3. http :// ru . wikipedia . org / wiki /% CD % E 0% ED % EE % F 2% E 5% F 5% ED % EE % EB % EE % E 3% E 8% FF
• 4. http :// ru . science . wikia . com / wiki /% D 0%9 D % D 0% B 0% D 0% BD % D 0% BE % D 1%82% D 0% B 5% D 1%85% D 0% BD % D 0% BE % D 0% BB % D 0% BE % D 0% B 3% D 0% B 8% D 1%8 F