Наноматериалы и нанотехнологии

Излагая материал о разнообразии наноматериалов, важно отметить, что  современная наука выделяет следующие  виды наноматериалов: наночастицы, фуллерены, нанотрубки и нановолокна, нанопористые структуры, нанодисперсии, наноструктурированные  поверхности и пленки, нанокристаллические  материалы.

Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы  состоят из 108 или меньшего количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов. Наночастицы, размер которых меньше 5-10 нм, называют нанокластерами. Слово "кластер" произошло от англ. cluster – скопление, гроздь. Обычно в  нанокластере содержится до 1000 атомов.

Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме  представляющие собой шароподобные каркасные структуры, напоминающие футбольный мяч. Фуллерены получили свое название в честь архитектора Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре.

В 1991 году были обнаружены длинные  углеродные структуры, получившие название нанотрубок. Нанопористые вещества представляют собой пористые вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся  в пределах 1-100 нм. При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.

Нанодисперсии – системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами. Сегодня нанодисперсии в основном применяются в медицине и косметике.

Пленки, или слои, собранные  из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами. Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки называют пленками Ленгмюра – Блоджетта. Гетероструктура может состоять из последовательности десятков полупроводниковых слоев толщиной в несколько нанометров. Полупроводниковые гетероструктуры используются для создания ярких светодиодов, лазеров и других полупроводниковых приборов современной микроэлектроники.

Важно обратить внимание учащихся на то, что российский ученый Ж.И. Алферов  в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике за разработку технологий создания гетероструктур. Гетероструктуры создают  методом молекулярно-лучевой, газофазной, жидкостной эпитаксии, а также методом  самосборки.

Разъяснитяется, что на современном  этапе сформировалось 2 подхода к  получению наноматериалов: "сверху-вниз" и "снизу-вверх". Технология "сверху-вниз" основана на уменьшении размеров тел  механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового  размера. Технология "снизу-вверх" сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки из отдельных  атомов и молекул.

Последующее за лекцией семинарское  задание может быть представлено выступлениями групп учащихся по предложенным вопросам. Все вопросы  необходимо осветить с разных сторон, с использованием разных источников. После заслушивания докладов нужно  провести обсуждение и анализ, высказать  критические замечания и пожелания. По окончанию урока представитель  каждой из групп предлагает окончательный  проект. Учитель оценивает работу участников дискуссии.

3.Тесты

1.         Сопоставьте определения:

o     наночастицы; частицы, размер которых меньше 5-10 нм;

o     нанокластеры; частицы, размер которых меньше 100 нм;

o     нанопленки; кристаллические вещества, размер которых меньше 100 нм;

o     нанокристаллы. вещества, состоящие из одного и более атомных слоев.

2.         Что такое фуллерены?

o     длинные углеродные структуры;

o     кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие шароподобные каркасные структуры;

o     наночастицы, растворенные в жидкой фазе;

o     шарообразные молекулы, содержащие атомы, размером меньше 100 нм.

3.         Что такое нанодисперсии?

o     системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами;

o     системы, состоящие из нанокластеров;

o     системы, состоящие из нанопористых веществ;

o     системы, состоящие из нанопористого вещества.

4.         Какие технологии относятся к технологии "сверху-вниз"?

o     литография;

o     эпитаксия;

o     литография и конденсация;

o     механическая обработка (измельчение).

5.         Поставьте в правильной последовательности этапы литографии:

o     экспонирование;

o     химическое травление;

o     нанесение фоторезистора.

6.         В чем заключается технология "снизу-вверх"?

o     основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработки, вплоть до получения объектов нанометрового размера;

o     сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки наноматериалов из отельных атомов и молекул.

7.         Что такое эпитаксия?

o     наращивание оксидной пленки на кристалле;

o     ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого;

o     получение наночастиц путем испарения из макроскопического тела атома;

o     создание наноструктур на поверхности твердого тела.

8.         Что такое синергетика?

o     наука о самоорганизующихся системах;

o     наука о нанокристаллических материалах;

o     наука о хаосе;

o     наука об экономии энергии.

4.Этап закрепления изученного  материала. Преподаватель: теперь  давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили.

Преподаватель задает вопросы  по теме занятия, а учащиеся отвечают. Список основных вопросов – Дайте  определение понятию "наноматериалы"? Какие виды наноматериалов вы знаете? Что называют наночастицами и  нанокластерами? Чем обусловлены  особые свойства наноматериалов? Приведите  примеры технологии "сверху-вниз".

5.Заключительный этап.

Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные  на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены  на лабораторной работе.

План- конспект занятия № 3

Тема: Нанотехнологии вокруг нас.

Цель: Познакомить учащихся с современным состоянием дел  и ближайшими перспективами применения нанотехнологических методов в  быту, в медицине, промышленности и  военном деле.

Задачи:

- Обучающая: Рассказать  учащимся о применении нанотехнологий  в повседневной жизни.

- Развивающая: развивать  у учащихся память, логическое  мышление, трудовые навыки, интерес  к предмету.

- Воспитывающая: способствовать  воспитанию целеустремленности, инициативы, самостоятельности; умению логически  мыслить, самостоятельно высказывать и отстаивать свою точку зрения; сознательной дисциплины.

Тип занятия: Комбинированный.

Оснащение:

- МТО: компьютер, проектор, видеофильм "нанотехнологии"

- МО: План-конспект лекции, учебное пособие "Голубая мечта  Доналда Рамсфелда" Аксёнов  П.Н.

Структура занятия:

1.Организационный этап(2-3 минуты)

2.Этап объяснения нового  материала (55-60 минут)

3.Проведение теста (10 минут)

4.Этап закрепления изученного  материала (10 минут)

5.Заключительный этап (5 минут).

Ход занятия:

1.Организационный момент.

Преподаватель приветствует студентов, отмечает присутствующих и  сообщает тему занятия.

2.Этап объяснения нового  материала.

Рассмотрение вопроса  перспектив использования нанотехнологий в повседневной жизни следует  начать с определения получивших наибольшее распространение нанотехнологических  методов: нанопокрытий и золь-гель методов. Необходимо сконцентрировать внимание учащихся на принципиальных отличиях различных физических свойств покрытий из наночастиц от свойств непрерывных  покрытий. Следует подчеркнуть, что  различные виды наночастиц в составе  нанопокрытий позволяют управлять  механическими, оптическими и иными  свойствами материалов, на которые  они нанесены.

Далее следует дать учащимся представление об использовании  особых свойств наноструктурированных  материалов. Как пример можно привести использование золотых наночастиц в качестве катализаторов и поглотителей запахов. Далее, от основных объектов нанотехнологий следует перейти к примерам использования нанотехнологий в повседневной жизни:

1.         в медицине: антисептики, транспортировочные наноконтейнеры, и др.;

2.         в парфюмерной и пищевой промышленности;

3.         при производстве спортивных товаров;

4.         при производстве одежды и обуви.

При рассмотрении конкретных областей применения наночастиц и нанопокрытий следует обращать внимание учащихся на то, какие именно их свойства используются в данном случае. Так, в медицине используются в основном малые размеры  наночастиц, позволяющие им проникать  вместе с кровотоком через клеточные  мембраны. При использовании наноматериалов в качестве катализаторов и фильтров в автомобильной и парфюмерной  промышленности используется большая  площадь поверхности наноструктурированной среды, резко увеличивающая эффективность взаимодействия. При изготовлении сверхпрочных и сверхлёгких материалов, используемых в производстве спортивных товаров, актуальными становятся особые механические свойства наноматериалов. При производстве одежды и обуви используются особые структурные свойства, обеспечивающие содержание воздуха в материале до 99,8%, что обуславливает отличные теплоизолирующие свойства.

Вторую часть урока  следует посвятить изучению применения нанотехнологий в военном деле. Необходимо подчеркнуть, что в военном деле, как правило, используются наиболее передовые разработки, лишь некоторое  время спустя получающие распространение  и в других областях человеческой деятельности. В качестве примера  можно рассмотреть костюм солдата  будущего. Спектр используемых свойств  нанообъектов также весьма широк. Например, при производстве так называемой "мягкой брони" используются особые механические свойства нанообъектов, причём "подсмотренные" у живой природы. В конструкции костюма будут использоваться специально сконструированные наномашины-усилители, которые смогут увеличить силу солдата на 300%. Будут использованы также полупроводниковые и медицинские нанотехнологические методы.

Следует особо отметить перспективное  применение комплексов простых микро- и наноустройств ("умная пыль"), которые, взаимодействуя между собой, могут обладать возможностями, намного  превосходящими возможности отдельных  объектов. Также следует подчеркнуть, что одним из наиболее перспективных  направлений считается создание новых материалов со сложной структурой для военной техники. Кроме уже  рассмотренного примера нанокомпозитной  брони, следует отметить создание специальной "электромеханической краски", которая позволит менять цвет подобно  хамелеону, а также предотвратит коррозию и сможет "затягивать" мелкие повреждения на корпусе машины. "Краска" будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции.

·           Нанопокрытие – покрытие, состоящее из наночастиц и обладающее вследствие этого особыми свойствами.

·           Наноконтейнер – капсула, содержащая действующее вещество. Может доставляться прямо к источнику заболевания, не подвергая воздействию весь организм и сводя к минимуму побочные эффекты.

·           "Мягкая броня" – условное название тканых и нетканых материалов, обладающих гибкостью, но в то же время стойкостью к механическому воздействию.

·           "Умная пыль" – комплекс микроустройств, способных к коллективным действиям.

·           Электромеханическая краска – покрытие, состоящее из большого количества наномеханизмов, позволяющее изменять цвет. (Приложение 3)

3.Тесты

1.         Разработано покрытие для стекла, состоящее из полимерных слоев и наночастиц кварца. Что происходит при попадании воды?

o     вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода покрывает стекло большими каплями

o     вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода покрывает стекло ровным прозрачным слоем

o     вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода полностью стекает со стекла

o     вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода покрывает стекло средними каплями

2.         Могут ли нанотехнологии применяться в качестве катализаторов и фильтров?

o     могут только в качестве катализаторов

o     могут только в качестве фильтров

o     могут в качестве катализаторов и фильтров

o     ме могут

3.         Наночастицы какого элемента хорошо подходят для обеззараживания ран?

o     золота

o     серебра

o     платины

o     железа

4.         Швейцарская компания изготовила для соревнований Tour de France–2005 спортивный велосипед с рамой из композиционного материала на основе углеродных нанотрубок. Его вес составлял:

o     2 кг

o     5 кг

o     4 кг

o     1 кг

5.         Наночастицы, состоящие из золотого "ядра" и палладиевой оболочки используются

o     в пищевой промышленности в качестве катализаторов

o     в военной технике в качестве защиты от пуль

o     в косметической промышленности для улучшения пудры

o     в медицине как мощный антисептик

4.Этап закрепления изученного  материала. Преподаватель: теперь  давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили. Преподаватель  задает вопросы по теме занятия,  а учащиеся отвечают. Список основных  вопросов – Приведите примеры  использования нанотехнологии в  производстве спортивных товаров?  Приведите примеры использования  нанотехнологий в медицине? Приведите  примеры "умной одежды" для  экстремальных условий? Перечислите  нанотехнологии, применённые в костюме  солдата будущего? 5.Заключительный  этап.

Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные  на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены на лабораторной работе.