Нанотехнологии - шаг в будущее
план-конспект урока по химии (10, 11 класс) на тему

Интегрированный урок (информатика + химия)

«Нанотехнологии -шаг в будущее».

Учитель химии Лаврова О.А., учитель информатики Ефремова И.А.

Цели урока:

1. Ознакомление учащихся с основными достижениями и проводимой исследовательской работой в области нанотехнологий в мире.
2. Привлечение внимания обучающихся к открытиям в области нанотехнологий и их использованию в повседневной жизни.

Задачи:

1. Создать условия для ознакомления учащихся с основными открытиями в области нанотехнологий;
2. Продолжить развивать умения анализировать, сопоставлять факты, выделять главное, устанавливать причинно – следственные связи, формировать умения работать с различными литературными источниками;
3. Формировать у ребят научные представления о единой, реальной картине мира; понимание актуальности практического применения полученных знаний в повседневной жизни;
4. Создать условия для самоорганизации и коммуникативных умений при работе в группах.

Предварительная работа:

Используя различные источники информации найти краткие ответы на следующие вопросы: Что означает слово “нано”? Почему  именно наноразмеры привлекли внимание ученых? Что собой представляет графен?

Ход урока

1.Организационный момент(слайд 1)

 В последние годы в заголовках газет и в журнальных статьях мы все чаще встречаем слова, начинающиеся с приставки “нано”. И сегодня мы с вами подробнее рассмотрим вопросы, связанные с “нанонаукой”, “нанотехнологией” и “нанодостижениями”. В течение урока постараемся ответить на вопрос: Можно ли 21 век считать веком нанотехнологий? (слайд 2)

2.Актуализация.

Учащиеся отвечают на заранее подготовленные вопросы

1)Что означает слово “нано”?

(примерный ответ) Оно происходит от латинского слова nanus – “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).

2)Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых?

(примерный ответ) Изучаемые объекты, как правило, имеют привычные нам размеры и обладают набором химических и физических свойств. Если представить, что размер исследуемого объекта приблизится к размеру крупных молекул, то свойства вещества станут совсем другими. В этом случае мы достигли наноуровня, т.е. получили наночастицы. Они обладают огромной общей поверхностью, что приводит к проявлению многих необычных свойств и делает исследуемые объекты совсем не похожими на обычное вещество.

3.Изучение нового материала

1. Нанотехнология – совокупность методов и приемов, применяемых для получения объектов с новыми свойствами. (слайд 3)

2. Основные направления нанотехнологии: (слайд 4)

• Изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;
• Непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно;
• Создание наномашин и роботов размером с молекулу.

3.Использование нанотехнологий в различных областях(слайд5,6,7,8)

НАНОМЕДИЦИНА — слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя разработанные наноустройства и наноструктуры..Огромные возможности. Например, создание нанолекарств, которые будут доставляться кровопотоком непосредственно к больному органу человека. Уже созданы некоторые нанопрепараты, например, нано-аспирин. Ученые из Массачусетского технологического института разработали и испробовали на практике “наноснаряды”, разрушающие раковые клетки. У раковых клеток диаметр пор составляет около 400-500 нанометров, в то время как у здоровых клеток поры значительно уже. “Наноснаряды” диаметром 200 нанометров не проходят в здоровые клетки, но зато легко проникают в поры раковых клеток и разрушают их изнутри. Опыт на мышах показал высокую эффективность такой нано-химиотерапии. Планируется проверка этого метода на людях. Наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе. На этом пути наноробот сможет исправить характеристики тканей и клеток, очистить организм от микробов и молодых раковых клеток, от отложений, к примеру, холестерина.Вооружившись нанотехнологиями, ученые уже подступаются к гемофилии, болезни Альцгеймера, врожденным патологиям В перспективе планируется создание нанороботов - врачей, которые могут быть внедрены в человеческие организмы и смогут самостоятельно устранять возникающие патологии или предотвращать их. Возможно, появится способ лечения и генетических патологий.

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Нанотехнологии могут стать ключом к решению проблемы бедности во всем мире, считают авторы статьи, опубликованной в журнале PLoS Medicine. Среди главных задач были названы очистка воды, хранение 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”.Предполагается, что нанотехнологии смогут, наконец, решить проблему бедности и голода путем замены "естественных механизмов" производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - комплексами из молекулярных роботов. Они будут выполнять те же химические процессы, что происходят в живом организме или в растении и вырабатывать те же продукты, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. В домах вместо холодильников появятся минифабрики пищевых продуктов, изготавливающих по заказу любой продукт, включая деликатесы. Таким образом, подобное "сельское хозяйство" будет независимо от погоды и не будет требовать тяжелого физического труда и больших затрат на хранение и доставку пищевых продуктов. Нанотехнологии позволят решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй половине XXI века.

БЫТ

Здесь помимо уже предлагаемых продуктов и даже косметики, созданных с применением нанотехнологий возможно найти массу применений, включая “построение” одежды с заданными свойствами, видом и цветом, мебели, украшений – вообщем в будущем можно предполагать любую фантазию, которая может быть легко и без особых затрат превратиться в реальность. В некоторой степени применение технологий в быту уже началось и будет развиваться постоянно, поскольку бытовое потребление во многом определяет экономику нанотехнологий.

4.Развитие нанотехнологии(слайд 9,10)

Первое упоминание методов, которые впоследствии назовут нанотехнологиями, связывают с выступлением Ричарда Фейнмана, сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Выступление Фейнмана носило название «Там, внизу, полно места!». Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров». А еще раньше в широко известном произведении русского писателя Н Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент: «Если бы, - говорит, - был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, - говорит, - увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено, какой русский мастер ту подкову делал». Увеличение в 5000000 раз обеспечивают современные электронные атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.. 

(слайд 11)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. Но и в том 1974 году до реализации этой технологии было еще далеко - Танигути опередил события на 20 лет. Такая возможность появилась лишь на рубеже нового столетия, когда появились мощные микроскопы и уникальные “пальцы”, позволяющие “пощупать” отдельные молекулы и атомы. 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, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество.

(слайд 12)Наконец, 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.

Что представляет собой графен? (сообщение учащегося)

(слайд 13,14) (Примерный ответ) Если вы представите самый-самый тонкий материал, тоньше которого вы уже сделать не можете, самый эластичный, самый прочный, самый проводящий и т.д. это и будет графен. По физике – это один слой атомов углерода. Если вы будете брать атомы углерода и укладывать их один к другому, чтобы они создавали шестиугольные ячейки, то вы получите ровно графен. Графен похож на ткань, только в 200 раз прочнее стали. Прозрачный, тонкий, не рвется, зато тянется и гнется во все стороны. Это снаружи. А внутри скорость перемещения электронов в нем в 200 раз выше, чем в кремнии, на базе которого сейчас работает вся микроэлектроника.

5.Открытие графена. (слайд 15,16)

История открытия графена начиналась забавно. Однажды в начале нулевых Гейм и Новоселов обратили внимание на мусорное ведро. Каждый вечер их коллеги выбрасывали туда ленты скотча, с помощью которого готовили образцы графита для работы на сканирующем тоннельном микроскопе. Скотчем обклеивали графитовые стержни, потом срывали и выбрасывали. Графит отдавал скотчу верхние слои, оставляя себе идеально гладкую поверхность. Она-то и интересовала коллег, а Гейма и Новосёлова заинтересовал Скотч и то, что на нем оставалось. Склеивая и разлепляя скотч с графитом, ученые, в конце концов, добились невозможного – получили слой графита толщиной в один атом. А заодно и прозвище – мусорные ученые. Дальше была знаменитая статья в журнале Science за подписью Новосёлова, Гейма и их коллеги Сергея Морозова. Дальше – азарт производителей и инвесторов, дальше – Нобелевская премия.  Нобелевская премия по физике в 2009 году присуждена за графен молодым ученым из России Андрею Гейму (из Сочи, 51 год, закончил МФТИ с красным дипломом в 1982 году) и Константину Новосёлову (из Н-Тагила, 36 лет, закончил МФТИ с красным дипломом в 1997 году), которые создали новую форму углерода. В настоящее время они работают в Манчестере.

Практическая работа(слайд 17)
«Получение графена»

Использование нанотехнологий в информатике.

Понятие нанокомпьютера можно смело отнести к категории “технологий будущего”. Современная вычислительная техника, основанная на традиционных микроэлектронных технологиях, фактически подошла к границе возможного. Способы представления информации в устройствах, созданных человеком, достигли физических пределов, установленных фундаментальными законами природы. Дальнейшее развитие вычислительной техники связывается с нанотехнологиями, в частности с нанокомпьютерами. Приставка нано говорит о чрезвычайно малых размерах,[1] которыми будут обладать элементы этих вычислительных устройств. В них будет достигнута невиданная плотность элементов, что даст возможность увеличить быстродействие и объем памяти на многие порядки. Владение нанотехнологиями даст качественный перевес стране, обладающей ими. Именно поэтому столь пристальное внимание уделяется этому направлению в России и США.

Нанокомпьютер - это устройство нанометрических размеров, способное производить логические операции. Если представить себе такой механокомпьютер в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то последняя будет больше в 10-15 раз! При этом вычислительная мощность нанокомпьютера - 1016 операций в секунду, что можно сравнить с производительностью персоналки на Pentium II с тактовой частотой 1,3 ГГц.

Такие разные нанокомпьютеры ( Презентация  «Нанокомпьютер -  “технология будущего». )

     Нанотехнологии уже позволяют создавать вычислительные устройства нового порядка, совсем недавно казавшиеся фантастическими.

Квантовый компьютер
     Квантовые частицы, в отличие от обычных, способны одновременно находиться как бы в нескольких точках пространства — одной, другой, третьей... Свойство же квантовых частиц одновременно пребывать в разных состояниях, именуют квантовым параллелизмом, он-то и используется в квантовых вычислениях. Квантовый бит (q-bit), как и обычный, имеет два базовых состояния — 0 или 1, но он же пребывает и в состоянии суперпозиции, то есть частично 0, частично 1. Благодаря неопределенности состояния квантового бита, программа эффективно выполняется для обоих состояний, то есть вычисления ведутся параллельно. К тому же, связанные между собой квантовые биты (двух-, трех-, и более битный квантовый компьютер) влияют друг на друга. Обычный двоичный регистр лишь бледная тень всего богатства состояний квантового.
         Прототипы квантовых компьютеров уже созданы (в IBM опробован 5-битный), но их полномасштабная реализация сталкивается с одним серьезным технологическим затруднением — они крайне подвержены внешним шумам. Любой проходящий из космоса луч, коснувшись хотя бы одного из связанных электронов, сделает вычисления ложными.

ДНК-компьютер (биокомпьютер)
     Немало выгод сулят крайне эффективные по некоторым показателям вычислительные устройства, состоящие из цепочек ДНК. Биологическая информация кодируется ферментами аденином, тимином, цитозином и гуанином (A, T, C, G), выстраиваемыми в строго определенной последовательности. Идея ДНК-компьютера заключается в представлении двоичного машинного кода как раз с помощью различных состояний этих ферментов. Используя современные достижения в генетике, с отрезками-битами ДНК возможно проделывать все то же, что и с обычной кремниевой памятью: объединять, извлекать отрезок-бит на основе равенства «0» или «1», добавлять или убирать особые стикеры, изменяющие значение бита (наличие стикера на отрезке — «1», отсутствие — «0»).
     Исключительное свойство ДНК — способность одиночных цепей к «взаимоузнаванию». Спонтанный поиск половинками ДНК друг друга происходит с удивительно большими скоростями, что оказывается решающим в задачах с перебором огромного количества вариантов. В ДНК-программе можно определять сколько угодно входов данных, обрабатываются они одновременно. Уже проводились успешные опыты с выполнением параллельно миллиарда действий, что несравнимо с количеством процессоров даже в самых мощных суперкомпьютерах.

     Такой компьютер со всеми его нанопроцессорами будет подобен колонии насекомых: при уничтожении даже значительного числа особей остальные продолжат выполнять свою функцию, и колония выживает.

     Другое привлекательное для компьютерной области свойство ДНК — невероятная плотность хранимой информации: на 1 нм пакуется до трех ДНК-бит. Это обеспечит плотность данных примерно в 100 мегабит на дюйм, современные магнитные накопители здесь не конкуренты. Но не стоит забывать и о возможности уплотнения информации в трех измерениях, а это просто фантастическая емкость ДНК-носителей. Плюс невероятно низкая потребляемая мощность, тепло при этом не рассеивается, а значит, проблема перегрева биокомпьютерам не грозит. Правда, имеется серьезный недостаток: ошибка считывания и копирования информации на ДНК в 1000 раз превышает ошибку магнитных накопителей. Тем не менее  ученые смотрят на ДНК-компьютеры с большим оптимизмом, нежели на квантовые, ведь при производстве некоторых узкоспециализированных расчетов они будут незаменимы.
Графен получит широкое применение в электронике будущего поколения.
На сегодняшний день, компьютерные процессоры, построенные на кремниевых транзисторах, могут выполнять только определенное количество операций в секунду, причём этот процесс сопровождается выделением большого количества тепла. В графене же, электроны перемещаются практически без сопротивления, выделяя при этом очень мало тепла. Помимо этого, графен - хороший тепловой проводник, что позволяет быстро рассеивать высокую температуру. Из-за этих и других факторов электроника на основе графена, может работать на гораздо более высоких частотах. "Кремний достигает предела своих возможностей", - говорит профессор де Хир. "Сейчас чипы на основе кремния застряли в гигагерцовом диапазоне. У чипов же на основе графена открывается диапазон, измеряемый в терагерцах. И если мы сможем выйти на эти частоты, это будет революция в электронике".
Ученые сообщают о разработке первых автономных нано-устройств, способных передавать данные по беспроводным каналам на сравнительно большое расстояние.

По мнению разработчиков, новинка позволяет надеяться на воплощение в жизнь футуристических проектов имплантируемых медицинских сенсоров, нового поколения портативной электроники и других устройств, которые смогут работать независимо от конкретного источника энергии, питаясь тем, что удастся получить непосредственно из окружающей среды.

Устройства будущего смогут работать без батарей, питаясь минимальным количеством энергии, которую можно собрать используя пульсацию крови в кровеносных сосудах, движения воздуха или движения человека при ходьбе.

Видео фрагмент ноутбук в 2020 году.

Но уже в 2012 Samsung  начинает использование графена.

Практическая работа

Поиск информации в интернете .

Невероятный объем информации в сети делает поиск информации актуальным. Для осуществления поиска в сети используются поисковые системы.

Какие известны вам?

Всего их несколько тысяч. Они делятся на индексные и каталоговые.

Практическая работа .

В одной из поисковых систем найти информацию

1. История открытия графена.
2. Графен и области применения
3. Влияние графена на развитие человечества.
4. Ученые открывшие графен.
5. Специальность «нанотехнология». Сайт СГУ.

Итог урока. Полученную информацию сохранить в документе Word. По итогам сегодняшнего урока выпустим газету « Нанотехнологии – шаг в будущее».