Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 34. Нанотехнология

  1. Объясните, как происходит синтез белков, жиров, углеводов.
  2. Дайте характеристику полимеров, композитных материалов.
  3. Приведите примеры экологических катастроф и загрязнения окружающей среды в XXI в.

Понятие нанотехнологии. В сказках, легендах, преданиях разных народов мира вы наверняка встретите героев, отличающихся необыкновенно малыми размерами: Дюймовочка, Мальчик-с-пальчик, Нильс, лилипуты, Крошечка-хаврошечка. И это не случайно, поскольку благодаря своему малому росту такой герой мог совершать то, что не под силу обычному человеку: жить в бутоне цветка, путешествовать на спине гуся, залезать в одно ушко, а вылезать из другого.

Почему мы вдруг заговорили о народном эпосе? Да потому что возможности той области науки, о которой мы сейчас будем говорить, фантастические. Вы и сами не раз убеждались в том, что благодаря современному естествознанию от сказки до реальности порой всего один шаг.

Наверное, вам приходилось собирать из школьного набора атомов модели молекул. Модель молекулы метана CH4 (рис. 148, а) вы можете собрать из одного атома углерода и четырёх атомов водорода.

Рис. 148. Модели молекул: а — метана; б — глюкозы

Напомним, что метан — это один из важнейших энергоносителей, главная составляющая природного газа, добыча, транспортировка и экспорт которого составляют основу экономического благополучия многих стран мира.

Модель более сложной молекулы — глюкозы С6Н12О6 (рис. 148, б) — вы собрали бы из атомов-шариков за пару минут. Тем не менее химический синтез глюкозы из более простых веществ учёные и технологи до сих пор не могут проводить в промышленном масштабе. Лучше, чем это делают клетки зелёных растений в присутствии хлорофилла (процесс фотосинтеза), синтезировать глюкозу ещё не научился никто.

Теперь представьте, что вы, словно сказочный герой, уменьшились до размеров атомов и молекул, т. е. до наноразмеров.

Размеры крупных молекул составляют порядка десятков нанометров, а радиусы атомов, как правило, менее 1 нм. И вот перед вами целый набор-конструктор атомов самых разных химических элементов, из которых можно сконструировать молекулы любых полезных веществ — антибиотиков, красителей, полупроводников, полимерных материалов, компонентов пищи, наконец. Вы можете создать любое нужное вам вещество! Но где же взять эти исходные атомы? Ведь вы знаете, что изолированные атомы (за исключением атомов благородных газов) в природе не встречаются. Вспомните, что все окружающие нас вещества состоят из атомов менее чем 100 химических элементов, — это весьма ограниченный набор. Таким образом, теоретически вы (будучи наночеловечком) можете разбирать на атомы молекулы ненужных вам веществ и материалов (бытового мусора, промышленных выбросов, сельскохозяйственных отходов) и собирать из них молекулы практически ценных веществ. Фантастика, сказка? Оказывается, нет. Это одно из направлений новейшей области естественно-научных исследований, которая называется нанотехнология.

Напомним, что 1 нм = 1 • 10-9 м, это одна миллиардная часть миллиметра.

Под нанотехнологиями понимают управляемый синтез молекулярных структур для получения веществ и материалов непосредственно из атомов и молекул с помощью специальных устройств, действующих на основе искусственного интеллекта; к нанотехнологиям относят процессы манипулирования объектами, имеющими размер от 1 до 100 нм.

По своим размерам наночастицы занимают промежуточное положение между макрообъектами, на которые распространяются законы классической механики, и объектами микромира (атомами, молекулами, фундаментальными частицами), в котором действуют законы квантовой механики. Поэтому наночастицы обладают специфическими физическими и химическими свойствами, обусловливающими их невероятные функциональные возможности.

Два подхода в нанотехнологии. В нанотехнологии существуют два подхода. Их принято условно называть «сверху — вниз» и «снизу — вверх».

Первый подход — «сверху — вниз» основан на уменьшении размеров обрабатываемого сырья или материалов до микроскопических параметров. Так, например, получают полупроводниковые устройства, обрабатывая заготовки для них лазерными или рентгеновскими лучами. Другим примером дробления вещества до наноразмеров может служить так называемая импринт-литография. На резиноподобный полимер наносят наноузор с помощью особых инструментов, который затем покрывается своеобразными молекулярными чернилами. Оттиски такой «резиновой печати» можно делать на любой поверхности (например, для получения компьютерных чипов наноскопических размеров). В результате получается нужная конфигурация электрической схемы. Разрешающая способность устройства определяется длиной волны лазера. Таким образом получают схемы с размером элементов до 100 нм.

Второй подход нанотехнологии — «снизу — вверх» состоит в том, что необходимая конструкция осуществляется сборкой из более мелких элементов (атомов, молекул и т. д.). Для этого типа нанотехнологии применяются инструменты зондового сканирования. Они могут двигать атомы или молекулы по поверхности подложки, толкая или поднимая их. В этом случае зонд сканирующего инструмента выступает в роли своеобразного пинцета наномира.

Основными методами такого подхода в нанотехнологиях являются молекулярный синтез, самосборка, наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация.

Молекулярный синтез и самосборка. В технологии поэлементной сборки наноустройств рассмотрим сначала методы молекулярного синтеза и самосборки.

Молекулярный синтез заключается в создании молекул с заранее заданными свойствами путём их сборки из молекулярных фрагментов или атомов.

Таким образом производятся медикаменты. Множество современных лекарств, включая антибиотики нового поколения, являются продуктами молекулярного синтеза. Кроме синтеза самих лекарств нанотехнология решает вопросы их доставки непосредственно в поражённые участки организма. Доза лекарственного препарата заключается в особую молекулярную оболочку, позволяющую транспортировать лекарство к месту назначения.

Самосборка — это метод нанотехнологий, основанный на способности атомов или молекул самостоятельно собираться в более сложные молекулярные структуры.

Принцип самосборки основан на принципе минимума потенциальной энергии — постоянном стремлении атомов и молекул перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, то такое соединение будет происходить самопроизвольно; если же для этого нужно изменить своё положение в пространстве, то молекулы переориентируются. Своеобразной иллюстрацией принципа минимума потенциальной энергии может служить древнегреческий миф о Сизифе, который с трудом поднимал камень на вершину горы, а тот упорно стремился скатиться вниз по склону, т. е. занять наименьший уровень потенциальной энергии.

В живых организмах самосборка является основой процессов ассимиляции, т. е. процессов синтеза белков, жиров, углеводов, полинуклеотидов, необходимых конкретному живому организму. Структурирование и сборка биологических тканей происходит на атомномолекулярном уровне, причём живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Наноконструкторы помещают определённые атомы или молекулы на поверхность подложки. Далее исходные молекулы ориентируются в пространстве, собираясь в определённую наноструктуру. Отпадает необходимость медленного и нудного конструирования такой структуры с помощью зондового инструмента. В этом и состоит преимущество самосборки. В настоящее время с помощью самосборки возможно создание компьютерных запоминающих устройств. Таким же образом изготовлены опытные образцы гидрофильного (любящего воду) и гидрофобного (боящегося воды) стёкол, которые могут найти широкое применение, например, в автомобилестроении, производстве прозрачных строительных материалов, в оптике.

Наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация. Кремниевые блоки, используемые для создания микрочипов, производятся наноскопическим выращиванием кристаллов.

Наноскопическое выращивание кристаллов — это нанотехнология, при которой кристаллы можно получать из раствора, используя кристаллы-зародыши (центры кристаллизации).

Этот метод можно использовать и для выращивания длинных, стержнеподобных углеродных нанотрубок. Они представляют собой совершенно новый материал, обладающий уникальными свойствами. Нанотрубки могут быть полупроводниковыми или металлическими.

Наибольший интерес представляют углеродные полупроводниковые нанотрубки, которые имеют форму крошечных цилиндров с диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной примерно в 1 мкм. Однослойные нанотрубки можно представить себе в виде свёрнутого в рулон одного слоя графита. Такие цилиндрики способны поглощать и удерживать водород в больших количествах, поэтому представляют собой ценный материал для создания двигателей на водородном топливе и водородных батарей.

Многослойные нанотрубки имеют высокий предел прочности на растяжение — в 50—60 раз больше, чем у высококачественных сталей, и в тысячи раз выше, чем у традиционных волокон. Это позволяет использовать их при изготовлении материалов для пуленепробиваемых жилетов и стёкол, а также для производства сейсмоустойчивых строительных материалов.

Углеродные нанотрубки имеют очень низкую плотность, что позволяет получать из них высокопрочные композиционные материалы, потребность в которых испытывают военная и авиационно-космическая промышленность, а также автомобилестроение. Специалисты компании «High Lift Systems» (США) задумали грандиозный проект — космический лифт. Идея проста, как всё гениальное. Трос длиной 35 тыс. км и диаметром 20 см одним концом прикреплён к океанической платформе, а за второй его конец «привязана»... орбитальная космическая станция! По этому тросу от Земли в космос будет двигаться лифт, способный поднять на орбиту до 50 т груза, в том числе космических туристов (рис. 149).

Рис. 149. Нанотехнологии и космос будущего

Трос поддерживается в натянутом состоянии за счёт двух противоположно направленных сил: силы земного притяжения и центробежной силы, действующей на космическую станцию. Материалом для изготовления троса предположительно должны служить нанотрубки, имеющие колоссальную прочность и в то же время чрезвычайно лёгкие. Такой лифт позволил бы сэкономить значительные средства, поскольку доставка на орбиту Земли 1 кг груза обычной космической техникой обходится в 50—80 тыс. долларов! Вот только стоить строительство такого моста к звёздам будет не менее 10 млрд долларов.

Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок обладает большой каталитической активностью. Считается, что при сворачиваний графитового листа из атомов углерода в трубку концентрация электронов на её внутренней и внешней поверхностях становится неодинаковой, что и обусловливает каталитический эффект. Если ввести внутрь углеродной трубки наночастицу переходного металла, например родия (Rh), каталитический эффект усиливается. Смесь оксида углерода (II) СО и водорода H2, называемая синтез-газом, при прохождении через такой каталитический комплекс превращается в этанол (этиловый спирт). Эту реакцию невозможно осуществить в иных условиях.

Полимеризация — это метод нанотехнологий, в основе которого лежит получение наноматериалов в виде полимеров из исходных мономеров с помощью реакций полимеризации или поликонденсации.

Для осуществления этого метода применяют так называемые генные машины, позволяющие синтезировать из отдельных фрагментов дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), необходимые для производства медикаментов, ферментов или белков заданного строения. Синтезированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК бактерий, которые затем производят множество копий нужного вещества. Это позволяет эффективно строить белковые фабрики для получения практически любого выбранного протеина. Примером практического применения данной нанотехнологии является получение инсулина для лечения диабета.

Нанотехнологии в различных областях науки и техники. Нанотехнологии сегодня — эффективно и динамично развивающаяся область науки и техники, в которой тесно переплетаются теоретические разработки и экспериментальные исследования. Развитие нанотехнологий и разработку методик создания и изучения нановещества называют одним из самых перспективных направлений научной и конструкторской мысли. Не случайно один из создателей американской водородной бомбы, Э. Теллер (1908—2003), ещё в середине XX в. сделал прогноз: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займёт ведущее место в техносфере следующего столетия».

В России исследования в области нанотехнологий быстрыми темпами начали развиваться с 2000 г. В Российской академии наук в 2002 г. был создан научный совет по наноматериалам, в федеральную научнотехнологическую программу в качестве одного из приоритетов было внесено направление «Индустрия наносистем и материалов» с финансированием более 3 млрд рублей.

Общество уже может гордиться первыми результатами использования нанотехнологий в различных сферах деятельности.

Энергетика. Альтернативой использования ископаемого топлива (природного газа, нефти, угля и др.) является применение фотоэлектрических элементов, которые непосредственно превращают солнечный свет в электрическую энергию, — так называемых солнечных батарей. В основе таких устройств лежит кремний, реже — германий. Кремниевые фотоэлементы используются в жилищном строительстве и промышленном производстве, в калькуляторах и т. п. Солнечный свет фокусируется на полупроводнике, в роли которого выступает один кристалл кремния или его поликристалл. Получение таких кристаллов и является задачей нанотехнологии.

Другой альтернативой использования энергии, получаемой от сжигания ископаемого топлива, является создание новых топливных элементов, в роли которых могут выступать углеродные нанотрубки, обладающие высокой адсорбционной способностью к водороду.

Электроника. Важнейшим техническим достижением второй половины ХХ столетия является развитие электроники. В наши дни компьютеры пришли не только во все сферы деятельности общества (банки, почта, транспорт, производство, наука), но и в большинство семей.

В современной науке возникло новое понятие для обозначения крошечного объёма вещества кубической или сферической формы, в котором можно хранить небольшое количество электронов, — квантовая точка. Если в большинстве полупроводниковых устройств и приборов (например, в транзисторах) процессы включения и выключения («on — оff») управляются потоком от сотен тысяч до одного миллиона электронов, то квантовые точки управляют движением малоэлектронных или даже одноэлектронных транзисторов. Это позволяет сделать полупроводниковые устройства микроскопически миниатюрными и снизить затраты энергопотребления в тысячи раз.

Уже сейчас нанотехнология позволяет изготавливать полупроводниковые элементы размером 100 нм. В перспективе габариты таких элементов будут снижены до 35—50 нм. Такую возможность предоставит использование в электронной промышленности углеродных нанотрубок и запоминающих устройств нового типа. В свою очередь, это позволит повысить скорость передачи информации примерно до 10 Гбит/с. Кроме этого, важное значение имеет совершенствование техники хранения информации. Эта задача решается путём создания терабитовых запоминающих устройств — степень плотности записанной с их помощью информации в 1000 раз больше, чем на обычных носителях.

Медицина. Нанотехнологии позволяют организовать массовое производство биодатчиков, способных длительное время осуществлять мониторинг внутри организма человека. Это даст возможность проводить раннюю диагностику некоторых заболеваний. Кроме того, нанотехнологии позволят использовать для диагностики и лечения особые устройства, называемые нанороботами. Введённые в организм человека, они смогут очистить сосуды от атеросклеротических отложений, уничтожить молодые раковые опухоли, исправить повреждённые молекулы ДНК, доставить лекарство к конкретным органам и даже клеткам.

С помощью нанотехнологии создаются наноинструменты, используемые в медицине. Так, уже появились наноманипуляторы и наноиглы. Например, для изготовления нанопинцета применяются две углеродные нанотрубки диаметром в 50 нм, расположенные параллельно на подложке из стеклянного волокна. Эти трубки сходятся и расходятся при подаче на них напряжения, имитируя пинцет. Учёные из Новосибирска сделали наноиглы, способные производить инъекции внутрь клеток.

Авиация и космонавтика. В авиации нанотехнологии применяются прежде всего при создании новых конструкционных материалов. С помощью нанотехнологий создаются термостойкие керамические композитные материалы (т. е. материалы, состоящие из двух и более компонентов), способные выдерживать температуру +1000—1600 °С, и полимерные композиты, выдерживающие температуру +200—400 °С. В космонавтике требования к композитам ещё выше: они должны быть термостойкими (выдерживать температуры около +3000 °С), сверхлёгкими и сверхпрочными. Именно такие материалы были использованы при изготовлении космических кораблей многоразового использования: нашего «Бурана» и американских «Шаттлов».

Сельское хозяйство. Продовольственная проблема является глобальной для человечества. Мы с вами становимся свидетелями неуклонного роста цен на продукты питания. Одно из решений продовольственной проблемы человечества заключается, как уже было сказано, в широком применении генной инженерии и биотехнологии для создания сортов растений с повышенной урожайностью и питательной ценностью, а также в создании высокопродуктивных пород животных и штаммов микроорганизмов.

Наноинструменты и ферментативные методики, применяемые в биотехнологии и генной инженерии, позволяют решать эти задачи более быстрыми темпами. Так, бурно эволюционирует производство всё новых сортов хорошо известной каждому генно-модифицированной сои. Традиционные сорта помидоров, картофеля, кукурузы, гороха, пшеницы, риса и т. д., а также экзотических батата и папайи в сельскохозяйственной практике уступают место созданным с помощью генной инженерии сортам, устойчивым к сорнякам и вредителям и обладающим повышенной урожайностью.

Экология. К проблемам защиты окружающей среды, которые можно решить с помощью нанотехнологий, относятся повышение температуры атмосферы Земли, разрушение озонового слоя, загрязнение среды диоксином, кислотные дожди.

Средняя температура Земли только за 40 лет прошлого столетия выросла на 0,5 °С. Прогнозируется, что в новом столетии средняя температура возрастёт ещё на 3 °С. Последствия этого грозят человечеству многими бедами: уровень Мирового океана поднимется на 65 см (будут подтоплены прибрежные территории многих стран), произойдёт кардинальное изменение климата, смещение природных зон и т. п. Нанотехнологии дают возможность уменьшить температурные воздействия на атмосферу Земли с помощью альтернативных источников энергии, совершенствования солнечных батарей и уменьшения оксида углерода (IV) в выхлопных газах.

С применением нанотехнологий синтезируют новые материалы, способные заменить хлорсодержащие полимеры; создают биодатчики длительного и точного мониторинга за окружающей средой; производят нанопорошки для борьбы с загрязнением окружающей среды (и в первую очередь с разливами нефти); делают нанофильтры, позволяющие предотвращать поступление диоксина и других отходов в окружающую среду (в том числе оксидов серы и азота). Для достижения последней цели немаловажную роль могут сыграть и созданные с помощью нанотехнологии катализаторы и носители для них.

Оптика. Уменьшение размеров кристаллических зёрен до наноразмеров позволяет создавать из стеклообразных веществ новые оптические материалы с очень высокими и регулируемыми коэффициентами преломления, изменением окраски, прочности и т. п. Такие материалы называют наностёклами. Они могут использоваться для создания высокоэффективных устройств хранения и передачи цифровой информации, а в сочетании с коротковолновыми лазерами позволят производить сверхмощные оптические запоминающие устройства и плёночные материалы с повышенной чёткостью изображения. Наностёкла могут применяться для изготовления оптических переключателей и тонких оптических волноводов. В сознании обывателя очки-«хамелеоны» и изменяющие интенсивность затемнения автомобильные стёкла редко связываются с представлениями о наномире, а ведь это именно так.

Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизаций, выполняя не только производственные, но и социальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличался каменный век от бронзового, век пара от века электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению экспертов, нынешний век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Знаменитый американский физик Р. Ф. Фейнман (1918—1988), который в 1959 г. первым высказал идею конструирования веществ и материалов путём манипулирования отдельными атомами, утверждал, что проникновение в наномир — это бесконечный путь человечества, на котором он практически не ограничен материалами, а следует лишь за собственным разумом.

Вместе с тем опыт последних двух тысячелетий развития человечества показывает, что лучшие научные достижения находят применение в первую очередь в разрушительных целях. Так было и с порохом, и с паровой машиной, и с атомной энергией. Чтобы нанотехнологии не превратились из всеобщего блага в страшную машину уничтожения всего живого на Земле, потребуется ваш разум, ваша гражданская позиция, ваше понимание законов естествознания.

Следующий параграф будет посвящён комнатным и декоративным растениям и их значению в жизни человека.

Теперь вы знаете

  • что такое нанотехнологии
  • два подхода в нанотехнологии
  • что такое молекулярный синтез и самосборка
  • как происходит наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация
  • какова роль нанотехнологии для различных областей науки и техники

Теперь вы можете

  • объяснить, почему наночастицы обладают специфическими физическими и химическими свойствами, обусловившими их уникальные функциональные возможности
  • описать метод импринт-литографии
  • определить практическое значение нанотехнологий для развития электроники, медицины, сельского хозяйства, экологии, оптики, авиации, космонавтики и других областей человеческой деятельности

Выполните задания

  1. Назовите методы в нанотехнологиях, применяемые в подходе «снизу — вверх», «сверху — вниз». Охарактеризуйте практическое применение каждого метода.
  2. Объясните, что представляют собой нанотрубки. В каких областях человеческой деятельности они могут использоваться?
  3. Диаметр углеродной нанотрубки равен 0,000000052 м. Переведите эту величину в сантиметры, миллиметры, нанометры, каждое из чисел представьте в стандартном виде.
  4. В 1982 г. знаменитый польский фантаст Станислав Лем в своём романе «Проверка на месте» описал сверхминиатюрных роботов размером с молекулу, которые «трудятся», например, в организме человека, улучшая его здоровье. Приведите примеры веществ молекулярного и немолекулярного строения, назовите типы химической связи, которые вы знаете.
  5. Расскажите о грандиозном проекте космического лифта, который хотели осуществить с помощью углеродных нанотрубок.

Темы для рефератов

  1. Научная деятельность нобелевского лауреата Р. Фейнмана.
  2. Квантовые точки, их методы получения и применение.
  3. Нанотехнологии в произведениях научной фантастики (литература, кино).
  4. Развитие наноиндустрии в России: успехи и трудности.

Рейтинг@Mail.ru