Исследовательская работа по теме: "Что такое нанотехнологии"
Исследовательская работа по теме: "Что такое нанотехнологии"
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология или путают её с новыми технологиями, хотя за этой наукой стоит будущее. На сегодняшний день в мире нет единого стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии и нанопродукция.
Поэтому тема нашего исследовательского проекта звучит так: «Что такое нанотехнологии».
Цель работы:
Ознакомление с нанотехнологией и выявление её отличий от новых технологий. Также мы хотим выяснить применение этой науки в различных отраслях и узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.
Задачи:
Выдвинуть гипотезу и найти доказательства подтверждающие её.
Изучить термин «нанотехнология», историю и цели создания, применение в современном мире, перспективы на будущее.
Провести социологический опрос по данной проблеме, апробировать полученные данные.
Гипотеза: 1 нанометр (нм) - это одна миллиардная доля метра, или одна миллионная доля миллиметра, то есть очень маленькая частица, поэтому не все новые технологии являются нанотехнологиями.
Методы исследования: теоретические - сбор, изучение, систематизация и анализ литературы по данной проблеме; социологический опрос - проведение анкетирования среди школьников.
Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?
Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.
Быстро и объективно проверять знания учащихся.
Сделать изучение нового материала максимально понятным.
Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.
ГЛАВА 2. Социальный опрос..............................................................................10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………..........10
БИБЛИОГРАФИЯ ……..………………………………………………………...11
ПРИЛОЖЕНИЕ №1………………………………………………………………12
ПРИЛОЖЕНИЕ №2………………………………………………………………13
ПРИЛОЖЕНИЕ №3………………………………………………………………14
І. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология или путают её с новыми технологиями, хотя за этой наукой стоит будущее. На сегодняшний день в мире нет единого стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии и нанопродукция.
Поэтому тема нашего исследовательского проекта звучит так: «Что такое нанотехнологии».
Цель работы:
Ознакомление с нанотехнологией и выявление её отличий от новых технологий. Также мы хотим выяснить применение этой науки в различных отраслях и узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.
Задачи:
Выдвинуть гипотезу и найти доказательства подтверждающие её.
Изучить термин «нанотехнология», историю и цели создания, применение в современном мире, перспективы на будущее.
Провести социологический опрос по данной проблеме, апробировать полученные данные.
Гипотеза: 1 нанометр (нм) - это одна миллиардная доля метра, или одна миллионная доля миллиметра, то есть очень маленькая частица, поэтому не все новые технологии являются нанотехнологиями.
Методы исследования: теоретические - сбор, изучение, систематизация и анализ литературы по данной проблеме; социологический опрос - проведение анкетирования среди школьников.
ГЛАВА 1. Теоретическая часть.
1.1.Что такое нанотехнологии.
Под термином «нанотехнология» следует понимать комплекс научных и инженерных дисциплин, исследующих процессы, происходящие в атомном и молекулярном масштабе. Нанотехнология предполагает манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что ничего меньшего быть не может. Говоря о наночастицах, обычно подразумевают размеры от 0,1 нм до 100 нм. Заметим, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0, 1 до 0, 2 нм, ширина молекулы ДНК примерно 2 нм, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нм, человеческий волос — 80 000 нм.
Первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана в 1959 г.
Ричард Фейнман стоял у истоков нанотехнологий он предлагал множество различных формулировок. Впервые термин "нанотехнология" употребил Норио Танигучи в 1974 году. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер, особенно в своей книге "Машины создания: грядёт эра нанотехнологии", которая вышла в 1986 году.
Современное определение звучит так:
Нанотехнология — междисциплинарная 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
1.2. Области применения.
Ознакомиться с таблицей «области применения нанотехнологий» можно в ПРИЛОЖЕНИИ №1.
1.2.1.Электроника.
Нанотехнологии в электронике применяются уже не первый год. Они решают следующие задачи в электронике:
- резкое увеличение пропускной способности каналов связи;
- резкое повышение производительности вычислительных систем;
- резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и расширение спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии;
- резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат;
- существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.
- создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов;
Моделирование является одним из эффективных инструментов создания и исследования структур в наноэлектронике. Развитие методов моделирования позволяет прогнозировать характеристики как материалов, так и устройств.
Ситуацию с наноэлектpоникой в России нельзя назвать однозначной. В СССР мы занимали III место по уровню развития микроэлектроники, уступая только США и Японии.
Наноэлектpоника сейчас активно развивается за рубежом, у нас же лидерами в этом сегменте являются компании "Ситpоникс" и "Ангстрем". В компании "Ситpоникс" используют проектную норму 180 нм при производстве микрочипов. Сейчас Россия сильно отстает по наноэлектронике от зарубежных лидеров рынка.
1.2.2. Энергетика
Вопросы энергообеспечения всегда актуальны, они предусматривают две основные задачи — создание приборов с экономным потреблением электроэнергии и изготовление зарядных устройств на основе новых технологий с улучшенными показателями. Осветительная техника модернизируется, лампы накаливания заменяются на яркие светодиоды и матрицы на их основе.
Топливные элементы: водородные элементы, передача энергии (высокотемпературные сверхпроводники, формирование градиента температур).
1.2.3. Медицина.
Наномедицина ̶ это симбиоз традиционной, классической медицины, квантовой механики, ядерной физики супрамолекулярной химии.
Наномедицина, как наука, предназначена для того, чтобы не просто улучшить существующие методы регулирования функционально состояний организма человека, но и привнести качественно новые методы лечения. Этот качественный скачок в медицине должен воплотиться за счёт использования новых физических принципов, информационных и телекоммуникационных технологий, нанокомпьютеров и нанороботов. Современное состояние и тенденция развития нанотехнологий дают повод для оптимизма также относительно кибернетического пути развития наномедицины.
Новая технология искусственного оплодотворения, вовлекающая сразу трех родителей, призвана избавить будущее потомство от многочисленных болезней, вызванных повреждением митохондрий, ответственных за энергетический обмен. Новая методика по экстракорпоральному оплодотворению (ЭКО) может избавить матерей от рождения детей с болезнями, вызванными нарушениями в работе митохондрий— органелл, которые являются «силовыми станциями» клетки и поддерживают ее энергетический баланс. Если у матери, к примеру, есть какие-либо мутации в генах митохондриальной ДНК, то, с большей долей вероятности, они могут проявиться у ребенка в виде различных нарушений работы этих органелл, так как ДНК митохондрий наследуется только от матери. Чтобы избежать этого, ученые придумали следующую схему искусственного оплодотворения. Техника трехстороннего оплодотворения подразумевает перенос ядер оплодотворенной материнской яйцеклетки в оплодотворенную же донорскую, откуда перед этим удаляются собственные ядра. Таким образом, поврежденные митохондрии не участвуют в росте эмбриона, и он растет здоровым. Донорский же эмбрион формально погибает. Несмотря на то, что технологию одобрили в Великобритании, первый в мире ребенок трех родителей появился на свет в Мексике – весной 2016 года. Мексика была выбрана потому, что там нет необходимости получать специальное разрешение на такого рода манипуляции.
Пластыри вместо укола. Уколы, возможно, уйдут в прошлое, ведь исследователи создают пластыри, которые впитают лекарство в организм пациента без уколов. Пластырь будет иметь привычные размеры, и через кожу, скажем, руки, переместят некое количество наночастиц в организм. Размер частиц — меньше 20 нанометров, они сами найдут вредные клетки, устранят их и выведутся из организма естественными путями. Учёные мечтают применять эти частицы для излечения рака, ведь частицы найдут именно раковые клетки, и не тронут здоровые. Проект учёных Атифа Саеда и Закарии Хуссейна из Нью-Йоркского университета называется «NanJect». Конечно, всегда остаются опасения что наночастицы вдруг взбесятся под воздействием, например, электрических импульсов мозга, и перестанут различать здоровые и больные клетки, но, с другой стороны, современные лекарства могут быть не менее опасны, так что время покажет, кто прав — скептики или исследователи.
1.2.4. Машиностроение.
Машиностроение является, в основном, потребителем объемных наноструктурированных материалов (стали, титан и его сплавы, алюминиевые сплавы, керамика, пластмассы и композиционные материалы), материалов с памятью, порошковых материалов и комплектующих наноизделий (гидро и электрооборудование, нанопродукция приборостроения и др.). Существенный эффект ожидается от внедрения технологических процессов нанесения износостойких покрытий на режущие инструменты, штампы и прессформы, а также износо, коррозионно, жаростойких и водооталкивающих покрытий деталей машин. Важное значение имеет наноструктурированная продукция и оборудование для обработки деталей с нанометровой точностью и для нанесения нанопокрытий. При этом улучшение соответствующих качественных показателей (прочность, твердость, пластичность, износо, жаро, коррозионная стойкость и т.д.) может быть достигнуто как посредством введения того или иного технологического процесса (литье, прессование, нанесение покрытий и т.д.) получения нанопорошков, нанотрубок, фуллеренов, так и за счет соответствующих технологических режимов изготовления заготовок и изделий (равноугольное прессование, термомеханическая обработка и др.). Сами по себе наноматериалы в чистом виде, например, углеродные трубки, не нужны: серьезные положительные изменения в экономику в том числе и в машиностроение, внесут макроматериалы из нанотрубок или содержащие нанотрубки.
Нанотрубка – это полая внутри молекула, состоящая из порядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой однослойную трубку диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.
Применение объемных наноматериалов на металлической основе делает возможным инновационное перевооружение промышленности: авиакосмического, энергетического и транспортного машиностроения, станкоинструментальной, горнодобывающей, медицинской промышленности и ТЭК. Ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой технологии, может увеличиться от 200 до 500% .
Для известных автомобилестроительных фирм разработаны или разрабатываются ниже приведенные полимерные нанокомпозиты:
нанокомпозиты на основе термопластичных олефинов;
каучуковые нанокомпозиты;
биоволокнистые нанокомпозиты;
биопенопласты;
углеродполимерные нанокомпозиты с использованием нанотрубок;
нанокрасители, отталкивающие грязь с поверхности облицовки, сомоочищающие и противообледенительные составы, а также многофункциональные наноуглепластики с плотностью 400 кГ/м3, позволяющие изменять первоначальный цвет окраски по желанию потребителя.
Они предназначенны для ненагруженных элементов, деталей кузова, подкапотного пространства автомобиля и двигателя, внешней облицовки (молдинги, бамперы, обвесы, спойлеры и др.), внутренних элементов (панели приборов, перегородки, усиливающие элементы кресел, коврики, шумо, пыле, грязезащитные элементы и др.), трубок и быстроразъемных систем топливоподачи, трубок, дефлекторов и направляющих кожухов системы охлаждения двигателя и кондиционирования салона, трубок подвода и отвода масла, щеток стеклоочистителя, шин и др.
Кроме того непосредственно в машиностроении уже используются технологии и оборудование для изготовления деталей машин с нанометровой точностью и в этом направлении продолжаются дальнейшие исследования: электроискровая и электрохимическая обработка, фрезерование, шлифование, полирование, доводка и др.
1.2.5. Строительство.
Также нанотехнологии используются в строительстве.
Нанокраски - электропроводящие нанокраски. Они представляют собой продукты на основе сложной смеси стеклянных (натриево-боросиликатных) или керамических огнеупорных микросфер, наполненных инертным газом или вакуумированных в процессе производства.
Их основные области применения - термоизоляция, повышение огнестойкости и коррозионной стойкости в сильноагрессивных средах. После нанесения материала поверхность при толщине покрытия 0,3 мм имеет высокий коэффициент отражения в низкотемпературной инфракрасной области и в области видимого излучения.
Самоочищающиеся покрытия.Наиболее распространённым материалом для изготовления самоочищающихся покрытий является оксид титана.
В настоящий момент активно развиваются две технологии нанесения оксида титана:
1) Нанесение плёнки оксида титана в процессе изготовления стекла. Достоинством данного метода является высокая прочность покрытия - срок его службы совпадает со сроком службы стекла.
2) Нанесение слоя оксида титана с помощью реагентов (жидких), содержащих диспергированные наночастицы оксида титана. Преимуществом этого метода является возможность наносить покрытие не только на поверхность стекла, но также и на другие твёрдые поверхности.Представленные технологии нацелены на разные секторы рынка - первый метод перспективен только для производства стекла, второй - для защиты других материалов.
Наногель, или аэрогель, представляет собой наноструктуированную пенку на основе силикона. Разрабатывется как теплоизоляция, обладающая высокой светопроводностью. Например, в стеклопакете с наногелем, потери тепла ниже в десять раз, чем в стеклопакете с воздухом или наполненном газом, и дневной свет рассеивается равномерно в глубь помещения, аэрогель при этом не нагревается, что повышает энергоэффективность конструкции.
Наногвозди внешне похожи на ультрамикроскопические кремниевые структуры, которые по форме напоминают обычные гвозди, отсюда и возникло такое название данного материала. Наногвозди могут менять свои гидрофильные и гидрофобные (отталкивающие) свойства под действием электрического тока. По мнению разработчиков, наногвозди могут быть применены для создания самоочищающихся поверхностей и поверхностей, устойчивых к загрязнению. Применение нового материала может также способствовать уменьшению сопротивления при движении различных жидкостей в трубопроводах.
Нанобетон мало чем отличается от обычных бетонных смесей. В его составе есть минеральное вяжущее, заполнитель и вода. Только в качестве пластификаторов применяются наноинициаторы, представляющие собой микроскопические полые трубки в несколько атомарных слоев углеродных полимеров. Диаметр этих нанотрубок - всего несколько единиц микрон, но их прочность больше ста гигапаскалей. Их достоинством является невосприимчивость к щелочам и кислотам. Когда наноинициаторы взаимодействуют с цементом, они кристаллизуются, армируя бетон и на молекулярном уровне изменяя его структуру.
атериал, изготовленный на основе прогрессивных нанотехнологий, отличающийся прочностью, легкостью, стойкостью к термическим перепадам, позволяет удешевить строительство новых объектов и облегчить реставрацию старых конструкций.
1.3. Биологическая угроза
Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».
Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма.
ГЛАВА 2. Социальный опрос.
Среди учеников разных возрастных категорий мы провели социалогический опрос, чтобы посмотреть знают ли ученики о том, что же такое нанотехнологии.
Таблицу с вопросами, задаваемыми ученикам можно посмотреть в ПРИЛОЖЕНИИ №2.
Составив таблицу по полученным данным (см. ПРИЛОЖЕНИЕ №3), мы выявили, что большинство учащихся не знают что такое нанотехнологии, или имеют ошибочное мнение на этот счёт.
Во время анализа ответов 7-8 классов мы увидели определения с использованием сложных заумных терминов, из чего сделали вывод, что эти работы были списаны из интернета.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Исходя из изученного материала, мы сделали следующий вывод:
Все нанотехнологии являются новыми технологиями, но не все новые технологии – это нанотехнологии.Нанотехнология - наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить мир. И каковы будут эти изменения - зависит от понимания и разумности людей.
