Конспект урока-конференции «Что такое нанотехнологии?»
план-конспект урока по физике (11 класс) по теме

Конспект урока-конференции «Что такое нанотехнологии?»

Учитель физики МБОУ Платоновской СОШ Рассказовского района Тамбовской области

Цель урока:

Познакомить учащихся с основами нанотехнологий,  основными достижениями и проводимой исследовательской работой в области нанотехнологий в современном мире.

Задачи:

1. Создание условий для ознакомления участников конференции с основными открытиями в области нанотехнологий и выявление основных проблем связанных с их применением в повседневной жизни;
2. Продолжить развитие умения анализировать, сопоставлять факты, выделять главное, устанавливать причинно – следственные связи, формировать умения работать с различными литературными источниками;
3. Формирование у ребят научных представлений о единой, реальной картине мира; понимание актуальности практического применения полученных знаний в повседневной жизни;
4. Создание условий для самоорганизации и коммуникативных умений при работе в группах.

Вид урока: урок – конференция

Оборудование: компьютер, экран, рефераты и доклады учащихся, презентации учащихся, викторина.

Предварительная работа: За две недели до проведения конференции, класс делится на группы, каждая из которых готовит доклад по выбранной теме. Учитель помогает в подборе материала, даёт консультации. Через неделю подготовки объявляются темы выбранных докладов, план конференции и последовательность выступлений.

Ход урока

«Там, внизу, много места!»

Р. Фейнман

1. Вступительное слово учителя.

В последние годы мы все чаще слышим слова: "нанонаука", "нанотехнологии", "наноструктурированные материалы":  мы слышим их по радио и на телевидении, замечаем в речах не только ученых, но и политиков. Нанотехнологиям отдается высокий приоритет при финансировании научных и инновационных программ во всех развитых странах мира. Например, Япония является мировым лидером по созданию наноматериалов,  в США исследования в области нанотехнологий получают щедрое финансирование как от государства, так и из бизнеса и даже от частных лиц, Евросоюз принял свою рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Недавно наш президент объявил о высоком приоритете развития нанотехнологий, обращая внимание на особую роль нанотехнологий для обороноспособности нашей страны. На это выделяются немалые средства из Резервного фонда страны. Минпромнауки РФ и РАН также имеют свои перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой "нано-".

Так что же означает слово «нано»? Что такое нанотехнологии и почему им уделяется такое внимание во всем мире? Почему это называют "революционным прорывом в технологиях", что это сулит нам, простым людям, и чем, возможно, это грозит миру?   Давайте попробуем разобраться с этими вопросами. Сейчас ваши одноклассники более подробно познакомят вас с некоторыми понятиями наномира.

1. Выступление докладчиков

1 ученик: Нанотехнологии. Этапы развития нанотехнологий.

В переводе от латинского слова nanus  означает “карлик” и буквально указывает на малый размер частиц. В приставку “нано” ученые вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть. Например, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, или 0,000 000 001 м (10-9). Наночастицы обладают огромной общей поверхностью, что приводит к проявлению многих необычных свойств и делает исследуемые объекты совсем не похожими на обычное вещество. Многие физические законы, справедливые в макроскопической физике, для наночастиц нарушаются. Например, известные формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении становятся несправедливыми. Вода в нанопорах горных пород не замерзает до -20…-30 градусов Цельсия, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше по сравнению с массивным образцом. Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых?

В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. Его слова были восприняты в 1959 году его коллегами – физиками чисто теоретически. И его предложение премировать 1000 долларами того, кто сможет разместить моторчик в кубике с линейными размерами 0,4 мм или уменьшить текст в 25000 раз, было воспринято как “шутка гения”. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами — туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только “видеть” отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество. Однако речь Феймана не забыли и теперь его называют “отцом нанотехнологий”, хотя понятие “нанотехнологии” ввел в обращение в 1974 году японец Норё Танигути для описания процесса построения новых вещей из отдельных атомов. В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм.  

Другой японец, Сумио Иидзима, создал в 1991 году из фулерена - сверхтонкого углеродистого материала углеродные нанотрубки, диаметр которых составляет несколько тысячных долей диаметра человеческого волоса, а длина – порядка 100 нанометров. Вот эти углеродные нанотрубки и стали первым реальным наноматериалом, на основе которого строятся сейчас различные вещи, предлагаемые на рынке новых товаров. Тоненькая еле видимая нить, свитая из этих углеродных трубок, не уступает по прочности стальному канату толщиной в руку. Твердость деталей, выполненных из композитов, собранных из углеродных трубок, сравнима только с алмазом. Открытие Сумио Иидзимы дало мощный толчок исследованиям в области нанотехнологий во всем мире. А созданные зондовые микроскопы позволили реально перейти к практическому воплощению этих идей, а также к более глубокому изучению совершенно новых, необычных свойств "наномира", который стал открывать людям свои тайны. Рассматривая отдельные атомы в качестве основных строительных элементов, нанотехнологи пытаются сейчас разработать практические способы конструирования из атомов с помощью механической наносборки новых материалов с заданными характеристиками. В их числе сверхплотные информационные носители, в которых информация будет кодироваться на молекулярном уровне, как это происходит, например, в ДНК, а потом создавать и сверхмалые механизмы - наномашины.

2 ученик: «Нано» сегодня. 

Уже сегодня рынок нанопродукции огромен. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас.

Солнечные батареи преобразуют энергию дневного света в электрическую. Раньше такие устройства были только на космических станциях, самые дорогие из них давали эффективность лишь 34%. Нанотехнологии вплотную взялись за солнечную энергетику. Солнечные батареи нового поколения - это дешевая полимерная пленка, вместо дорогого кристаллического кремния, которую обрабатывают на переделанных машинах для производства фотоплёнки. В таком полимере при его освещении возникают токи, а чтобы их аккуратно собрать и выдать потребителю энергию, используют нанотехнологии: покрытие, содержащее фуллерены. Новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.

Каждый из нас знаком с энергетикой плееров, диктофонов, фонариков, игрушек. Её основа – обычная литий-ионная батарейка. Здесь тоже видны первые результаты развития нанотехнологий. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы и нанопористые материалы – они заряжаются с немыслимой ещё вчера скоростью: на 80% всего лишь за минуту (обычно для этого требуется несколько часов). Представьте, какое преимущество для электромобилей даст эта новинка!

Заметнее всего развитие нанотехнологий в электронике. Достаточно взглянуть на процессор Intel образца 2008 года, произведённый по нормам 45нм базовых микросхем, он работает на тактовой частоте  около 3ГГц, а потребляет всего 35 Вт энергии. Однако применение нанотехнологий не ограничивается уменьшением размера транзистора – появился ряд новых материалов, специально созданных для повышения энергоэффективности микросхем. По той же технологии начат выпуск и совсем маленьких процессоров, содержащих «всего» около 50 миллионов транзисторов на чипе размером с копеечную монету. Они будут использованы в мобильных Интернет-устройствах – так нанотехнологии помогут нам в доступе к деловой и научной информации, образовательным и развлекательным ресурсам Интернета.

Совсем недавно появились антиопухолевые препараты в форме нанокапсул. Такие препараты атакуют главным образом клетки опухоли, не поражая организм в целом (в отличие от традиционных онкологических  средств) эффективность лечения за счет этого вырастает во много раз. Антимикробное действие серебра резко повышается, если его применить виде наночастиц. Уже несколько лет существуют заживляющее повязки для ожогов и серьёзных ран, содержащие такое наносеребро. В недалёком будущем начнется промышленный выпуск хитозановых повязок, которые ускорят заживление ран в разы. Планируется выпуск наноцемента для костей – он будет наполнителем, создавая нечто вроде каркаса, на который потом нарастает естественная костная ткань.

             Московские нанотехнологи разработали телевизор, который можно свернуть в рулон. Толщиной он всего несколько миллиметров и представляет собой органический светодиод. На сегодняшний день есть у него серьёзный недостаток – на воздухе поверхностный слой быстро портится.                 

            Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. Этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые токи, и получить их можно из окружающей среды, например, из тепла человеческого тела.

При разнице температур всего в 2°C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения: в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.

3 ученик:  Позиция России в нанотехнологической гонке? 

В отличие от прошлого упадка в научном развитии, из-за которого мы безнадежно отстали в области компьютерных технологий, IP- технологий и биотехнологий, здесь у нас есть реальные шансы быть в первых рядах. Мы пока ни от кого не отстали в нанотехнологиях. Из десяти устройств синхротронного излучения, имеющихся в Европе, два работают в России - в Новосибирске и в Курчатовском центре, а третий готов в Зеленограде. Еще один синхротронный источник строится в Дубне. И немаловажно, что лучшие в мире сканирующие зондовые микроскопы, которые работают в 90 институтах Российской академии наук, созданы в Зеленограде и уже несколько лет приобретаются Европой. После решения нашего президента работы в области нанотехнологий явно будут ускорены и расширены – теперь для этого выделяются необходимые средства и ресурсы.

Еще до этого поворота в сторону нанотехнологий в России было создано Молодежное научное общество по нанотехнологиям (МНО), которое проводит активные работы в области нанонауки и нанотехнологий. Созданный два года назад их силами сайт http://www.mno.ru/ стал очень популярным и у нас и за рубежом. Там публикуются интересные и важные аналитические и научно-популярные статьи. С помощью МНО и при поддержке ученых РАН разработан первый школьный учебный курс по нанотехнологиям. Разрабатываются лабораторные работы на базе имеющегося высокотехнологичного оборудования. В апреле 2005 года был успешно проведен Конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший неподдельное восхищение российских ученых и…явное раздражение и даже испуг в некоторых (политических и военных) кругах в США.

Дело в том, что министерство обороны США финансирует программу создания "Smart dust" – "умной пыли", т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку. Предполагается, что они смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.  Поэтому они очень опасаются, как бы мы их не опередили и не нашли вовремя соответствующего "противоядия".

Пока это все – только начало. Нет сомнения в том, что в ближайшее время нанотехнологии будут широко применяться в самых разных областях прикладной науки и промышленности, включая производство новых видов материалов, компьютерных систем и телекоммуникации, источников энергии и даже бытовой техники. Не исключено, что первой областью, где нанороботы найдут самое широкое применение, станет медицина, а не заказы военных.

Однако при этом возникают определенные опасения, насколько нравственными люди окажутся в использовании этих достижений. Естественно, что появляется огромная угроза возможной потери человеком контроля над этими процессами. Многие ученые и специалисты, имеющие отношение к этой тематике выражают вполне обоснованную тревогу по поводу возможного неблагоприятного воздействия продукции нанотехнологий на людей и на окружающую среду. Все-таки люди за всю многотысячелетнюю историю приспособились жить в естественном мире и воздействии Земли, и окружающего нас космоса. Массовое внедрение искусственного мира может привести человечество к катастрофическим последствиям. Поэтому достаточно большое число влиятельных людей и организаций в западном мире призывают к установлению моратория на массовое производство и на коммерческое применение материалов и изделий, изготовленных при помощи нанотехнологий.  До тех пор, пока не будет достоверно определены все возможные последствия их применения и до тех пор, пока не будет создан и одобрен всем мировым сообществом строгий свод правил для защиты человечества от угрозы прекращения его существования.

Но будем надеяться, что и ученые и правительства всего мира найдут достаточно сил и средств, чтобы направить достижения нанотехологий на добрые дела  без выхода за рамки благоразумия.

4 ученик: Заявленные перспективы применения нанотехнологий:

В МЕДИЦИНЕ

В последнее время нанотехнологии все активнее внедряются в медицину, экологию, здравоохранение. Сегодня макромолекулы и искусственно полученные наноматериалы и биоконъюгаты на их основе применяются для диагностики (биосенсоры, средства контрастирования и визуализации), лечения (средства адресной доставки, новые эффективные терапевтические агенты, уникальные физические и физико - химические способы воздействия на очаг заболевания) различных заболеваний и восстановления поврежденных тканей (костные имплантанты, клеточные матриксы, искусственная кожа и т.д.). Можно ожидать, что в ближайшем будущем при исследовании внутриклеточных процессов произойдет тесное сращивание квантовой механики, молекулярной биологии, генной инженерии, биохимии, биофизики, медицины, неорганической и физической химии. В результате может произойти качественный скачок в понимании того, что же такое жизнь, а медицина обогатится новыми методами для диагностики и лечения человека.

В БЫТУ

Помимо уже предлагаемых товаров, созданных с применением нанопродуктов, таких как, например, пленок для стекол автомобиля, на которых не осаждается пыль и грязь, лечебной одежды и даже косметики, созданных с применением нанотехнологий, можно предположить и массу других вещей, которые будут обладать какими-либо ценными свойствами. Применение нанотехнологий в быту уже началось, и можно уверенно утверждать, что оно будет неуклонно развиваться, поскольку, как известно, именно массовое потребление определяет экономику любых технологий.

В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Здесь нанотехнологии также имеют конкретное промышленное применение. Сегодня на рынке предлагается большая номенклатура промышленно изготовляемых наноматериалов: металлических, гидрооксидов, оксидов и композитных порошков, которые уже находят широкое применение во многих секторах промышленности и строительства. Нанопорошки имеют свойства, отличающиеся от свойств металлов, окислов и т.д., из атомов и молекул которых они изготовлены. Причем значительное количество таких свойств до конца еще не исследовано. А в будущей перспективе просматривается возможность замены принятых сегодня методов производства сборкой с помощью нанороботов любых механических объектов непосредственно из атомов и молекул. Прогнозируемый срок появления первых нанороботов – середина XXI века.

В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ

Не секрет, что военная промышленность использует достижения научного прогресса для

разработки все более совершенных видов вооружений, военной техники, обмундирования и средств защиты. Неудивительно, что именно военные одними из первых за интересовались нанотехнологиями, поскольку применение высоких технологий в современной военной промышленности является залогом успешного ведения боевых действий. И пока в военных операциях участвуют люди, а не машины роботы, актуальной является проблема создания обмундирования для солдат. Примерить «высокотехнологичную» форму можно будет только ближе к 2020 году, а сейчас ведется большая работа над разработкой, например, «динамической брони». Она будет представлять собой бронежилет толщиной всего несколько миллиметров и облегать тело солдата наподобие водолазного костюма. Вес такого обмундирования уменьшится больше, чем в два раза по сравнению с используемым в настоящее время. Новая форма будет служить не только бронежилетом, но и универсальным медицинским диагностическим инструментом, способным измерять все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, температуру тела и др.) с помощью встроенных в костюм датчиков. Предполагается, что состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер, а прозрачные стекла для солдатских шлемов будут непробиваемыми для пуль.

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Считается, что нанотехнологии могут стать ключом к решению проблемы бедности во всем мире. Среди главных задач были названы очистка воды, производство экологически чистого топлива и увеличение плодородности почв. По мнению экспертов, исследования в этих областях, которые ведутся сейчас, позволяют воспринимать всерьез призыв ООН – "победить бедность к 2015 году". В отдаленной перспективе предполагается, что в домах вместо холодильников появятся минифабрики пищевых продуктов, изготавливающих по заказу любой продукт, включая деликатесы. Таким образом, подобное "сельское хозяйство" не будет зависеть от погоды и не будет требовать тяжелого физического труда и больших затрат на хранение и доставку пищевых продуктов. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй половине XXI века.

ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В принципе, применение нанотехнологий в промышленности и в быту может привести к полному устранению вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет массового производства и размещения в экосфере нанороботов-санитаров, превращающих отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Уже сегодня крупные компании, конкурирующие в области создания сверхплотных и сверхскоростных матриц памяти для компьютеров, открыли научно-исследовательские работы по применению нанотехнологий, которые сулят огромные перспективы в этом направлении, вплоть до создания ячейки памяти на одном атоме. Применение наноматериалов сможет создать новые типы дисплеев и телевизионных экранов с трехмерным изображением. Университетские лаборатории работают над созданием "вечного" элемента питания, который не будет нуждаться в подзарядке. В далекой перспективе предполагается  создание компьютера, обладающего человеческим интеллектом. Прогнозируемый срок реализации сверхплотной памяти и "одноатомной" компьютерной ячейки - вторая четверть XXI века.

1. Обобщение и повторение.

Итак, ребята! Мы с вами обзорно познакомились с наномиром, многие ваши одноклассники подготовили интересные доклады. Те, кто заинтересовался этой темой может могут продолжить ее изучение самостоятельно. Ведь нанотехнологии только открывают нам путь в совершенно другой, лучший мир, который мы сможем приблизить лишь совместными, согласованными усилиями. За нанотехнологиями и нанонаукой – будущее, в нашей стране и в мире. ... То ли еще будет!

А сейчас, ребята, я предлагаю вам ответить на вопросы викторины. Проверьте свои знания.

(Приложение к уроку)

Нанотехнологии – это наше настоящее и будущее. Наверное, нет ни одной сферы жизнедеятельности человека, которую они бы не затронули. Мир нанотехнологий интересен и доступен не только ученым. Ищите, читайте, анализируйте информацию. Занавес в удивительный мир нанотехнологий приоткрыт!

IV .Домашнее задание.

Проанализировать пройденный материал.

Найти и представить примеры применения нанотехнологий  в геронтолиии, кибернетике, строоительстве и архитектуре.                    

Использованные материалы и Интернет-ресурсы

1. http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях №1 в России
2. http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»
3. http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках
4. http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал
5. http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях.

Викторина

1. Что такое наночастица?

кусочек вещества с приставкой "нано"
элементарная частица
частица вещества из примерно миллиона атомов
частица вещества из десяти и менее атомов
то, из чего состоит дым и туман
то, из чего состоят абсолютно все вещества

1. Может ли молекула быть наночастицей?

может, для этого она должна одна занимать область пространства, соответствующую наночастице
нет, не может, молекула - это молекула
может, если в молекуле миллион атомов
нет, не может, наночастицами могут быть только неорганические вещества
может, если мы ее так назовем
нет, не может, потому что молекулы реально существуют, а наночастицы придумали ученые

1. Может ли наночастица быть молекулой?

нет, не может никогда, молекулы всегда меньше
может, причем всегда, раз там больше одного атома - значит это молекула
может быть, если связи между атомами какие - нибудь особенные
может, но только в возбужденном состоянии
может, но только при очень низких температурах
нет, не может, наночастицы состоят из атомов, а не молекул

1. Почему мы не видим наночастицы?

потому что они маленькие, а глаза у нас большие
потому что они быстро бегают
потому что они прозрачные
а мы можем видеть наночастицы, если они светятся!
а мы можем видеть наночастицы, если их заморозить!
а мы можем увидеть наночастицы, если наши глаза уменьшить!

1. Кто из атомов делает наночастицы?

нанотехнолог
биолог
химик
ядерный физик
наноэлектронщик
журналист

1. Если наночастицы трудно увидеть, сложно правильно сделать, ими трудно манипулировать, то почему же ими так интересуются?

потому что просто из интереса и любопытства хотят решать сложные задачи
потому что у них возникают особые свойства
потому что их можно сделать очень много из малого количества вещества
потому что они стоят дорого
потому что их не нужно много

1. В какой из названных ниже составляющих частей фотоаппарата пока что точно не используются наноструктуры и наноматериалы?

объектив
аккумуляторная батарея
флэш-память
матрица для получения изображения
крышка объектива
корпус

1. Какие из перечисленных ниже наночастиц можно использовать для лечения онкологических заболеваний?

наночастицы оксида железа (II, III)
квантовые точки на основе селенида кадмия
углеродные нанотрубки
наночастицы диоксида кремния
наночастицы диоксида титана
коллоидосомы

1. Какие из перечисленных ниже наночастиц не используются при создании солнечных батарей?

наночастицы золота
наночастицы диоксида титана
графен, углеродные нанотрубки
квантовые точки
наночастицы диоксида кремния
полимеры

1. Чего нам ждать от нанотехнологий в будущем?

ничего
всего
миниатюризации и экономии энергии, новых принципов работы устройств
вечного двигателя
манны небесной

1. Американский физик Фейнман призывал исследовать то, где много места.
   Его много где?

у нас
у них
вверху
внизу
побоку

1. Нанотрубки из дисульфида молибдена могут применяться в

военных нанотехнологиях в качестве отравляющего вещества
в медицине в качестве смазки при протыкании человека специальными иглами
в гоночном автомобилестроения в качестве дисперсионного топлива
в быту в качестве излучающего слоя люминесцентных ламп
нигде, так как таких трубок вообще не существует.