Урок-конференция Атомная физика и нанотехнологии 11-й класс

Цель урока: Развить навыки
учебно-исследовательской деятельности учащихся,
расширить знания о строении вещества.

Подготовительный этап

За две недели до проведения конференции, класс
делится на группы, каждая из которых готовит
доклад по выбранной теме. Одной из групп
достаётся роль журналистов, которые также
готовятся по этим темам и должны задать
несколько интересных вопросов после
выступления. Таким образом, весь класс активно
задействован в подборе, поиске и анализе
материала.

Учитель помогает в подборе материала, даёт
консультации. Через неделю подготовки
объявляются темы выбранных докладов, план
конференции и последовательность выступлений.
Количество выступающих докладчиков
регулируется в зависимости от количества уроков.

Проведение конференции

Учитель:

(слайд 1) Презентация

Все мы состоим из атомов. Мельчайший сдвиг – и
вместо нас появятся мраморная статуя, динозавр
или облачко пара. А ведь в нашем мире встречается
меньше сотни атомов с различными ядрами. И этого
хватает, чтобы, переставляя их, строить любые
воздушные замки.

А что будет, если я стану меньше? Мир изменится.
Атомы окажутся на космических расстояниях друг
от друга, таких как дистанция между человеком с
южного полюса от человека c северного.

Это будет мир квантовой физики, а в нем, увы, не
действует большинство из знакомых нам законов.
Иной мир, с иными законами. Если в нашем мире
белое с черным спутать нельзя, то здесь –
запросто. Слишком большие сомнения в том, что, где
и когда произойдет, ведут к аналогичным
сомнениям в том, как же на основе этого что-то
построить.

(слайд 2)

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 (тогда это
была серьезная сумма!) того, кто сможет
разместить моторчик в кубике с линейными
размерами 0,4 мм или уменьшить текст в 25000 раз, было
воспринято как “шутка гения”.

(слайд 3)

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.

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.

(слайд 4)

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.

(слайд 5)

Приставка “нано” в переводе с греческого
обозначает “карлик”.

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.

Для наночастиц практически все атомы
“поверхностные”, поэтому их химическая
активность очень велика. По этой причине
наночастицы металлов стремятся объединиться.
Вместе с тем в живых организмах металлы, как
оказалось существуют в виде кластеров –
объединения сравнительно небольшого числа
атомов, размер которых меньше 5-10 нм. Обычно в
нанокластере содержится до 1000 атомов.

(слайд 6)

Кластеры из более чем 40 атомов углерода,
напоминающие по форме футбольный мяч, называют
фуллеренами. Длинные углеродные структуры
получили название нанотрубок.

(слайд 7)

Нанотехнологии – это технологии работы с
веществом на уровне отдельных атомов.
Традиционные методы производства работают с
порциями вещества, состоящими из миллиардов и
более атомов. Это значит, что даже самые точные
приборы, произведённые человеком до сих пор, на
атомарном уровне выглядят как беспорядочная
мешанина. Переход от манипуляции с веществом к
манипуляции отдельными атомами — это
качественный скачок, обеспечивающий
беспрецедентную точность и эффективность.

Нанотехнологии обычно делят на три
направления:

- изготовление электронных схем, элементы
которых состоят из нескольких атомов;

- создание наномашин, то есть механизмов и
роботов размером с молекулу;

- непосредственная манипуляция атомами и
молекулами и сборка из них чего угодно;

Благодаря стремительному прогрессу в таких
технологиях, как оптика, нанолитография,
механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция
может произойти уже в течение следующего
десятилетия. Когда это случится, нанотехнология
окажет огромное влияние практически на все
области промышленности и общества.

Об этом мы и узнаем из следующих докладов.

Из выступлений докладчиков:

НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

(слайд 8, 9, 10)

Нанотехнологии повлияют в будущем на все сферы
жизни человека: от производства одежды до
методик лечения рака. Уже сейчас можно стать
хозяином практичных немарких брюк, сшитых из
ткани, обработанной фторированным
нанополимером. Если утром пролить на них кофе –
ни пятнышка не останется. Здорово, правда?! Но это
только одно из бесчисленных возможных
применений нанотехнологий. Сегодня человечество
реально делает ставку на нанотехнологии и
надеется, что с помощью применения систем
организованных микрочастиц мир будет просто
построен заново.

Пока это все – только начало. Нет сомнения в
том, что в ближайшее время нанотехнология будет
широко применяться в самых разных областях
прикладной науки и промышленности, включая
производство новых видов материалов, систем
телекоммуникации, источников энергии и методов
лечения. Не исключено, что первой областью, где
найдут применение возможности нанороботов,
станет медицина.

НАНОМЕДИЦИНА — слежение, исправление,
конструирование и контроль над биологическими
системами человека на молекулярном уровне,
используя разработанные наноустройства и
наноструктуры. Это определение было установлено
ведущим первооткрывателем в этой области
деятельности и аналитиком института по
молекулярному производству IMM Робертом
Фрейтасом. Наномедицина подразумевает
применение достижений нанотехнологии при
лечении и омоложении человека, включая
достижение физического бессмертия.

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.

Нанороботов разделяют на два вида: ассемблеры,
которые будут строить нанообъекты, в том числе и
самовоспроизводиться, и дизассемблеры, которые
будут разбирать вещества и сортировать атомы. На
базе нанороботов будут строиться (ими же!)
нанофабрики, которые будут также автоматически
создавать предметы уже нормальных зримых
размеров. В качестве сырья им потребуются самые
распространенные элементы – атомы кислорода,
водорода, азота, углерода и в меньшем количестве
– более редких элементов. Из этого сырья
нанофабрики по программам, заданным человеком,
могут строить все – и материалы, и пищу, и одежду,
и органические живые существа.

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.

Прогнозируемый срок реализации — первая
половина XXI века.

Новые бактерицидные средства создаются на
основе использования полезных свойств ряда
наночастиц. Так, например, применение серебряных
наночастиц возможно при очистке воды и воздуха,
или при дезинфекции одежды и спецпокрытий

Приведенные достижения наномедицины станут
доступны по разным оценкам только через 40-50 лет.
Однако целый ряд последних открытий, разработок
и инвестиций в наноотрасли привел к тому, что все
больше аналитиков сдвигают эту дату на 10-15 лет в
сторону уменьшения, и быть может это еще не
предел.

С помощью достижений нанотехнологии в целом, и
наномедицины в частности, станет возможной
имплантация наноустройств в человеческий мозг,
многократно увеличивая знания человека и
скорость его мышления. Эти прогнозы, включая
потенциал достижения личного бессмертия, и стали
одним из главных факторов появления нового
философского течения — трансгуманизма, согласно
которому человеческий вид является не венцом
эволюции, а промежуточным звеном. Этому виду еще
только предстоит радикальное усиление своих
интеллектуальных и физических возможностей.

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

(слайд 11)

В этой области уже имеется наиболее далекое
продвижение. Созданы и промышленно выпускаются,
и предлагаются на рынке большое число
наноматериалов: металлических, гидрооксидов,
оксидов и композитных материалов, которые могут
найти применение во многих секторах
промышленности. Но основным направлением
развития нанотехнологий в этой области будет
замена традиционных методов производства
сборкой молекулярными роботами любых
механических объектов непосредственно из атомов
и молекул. Причем возможно создание
“персональных” синтезаторов и копирующих
устройств, позволяющих каждому человеку
изготовить любой предмет по своему желанию.

Первые практические результаты могут быть
получены в начале XXI века.

В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ

(слайд 12)

Здесь нанотехнологиям придается огромное
значение. В ведущих странах мира ведутся
крупномасштабные исследования в интересах
военных, например, возможности создания
“невидимых” военных объектов и, наоборот,
средств противодействия “невидимости”,
самовосстанавливающихся военных механизмов,
сверхпрочной брони, новых систем связи и
разведки, сверхпрочной военной амуниции,
повышения живучести всех военных объектов и так
далее. Планируется, что в 2008 году будут
представлены первые боевые наномеханизмы,
системы связи, а также устройства обнаружения
химических и биологических загрязнений.

Производители уже получают первые контракты на
наноустройства. К примеру, армия США заказала
разработку военной формы будущего. Первые
практические результаты ожидаются в ближайшие
годы этого века.

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

(слайд 13)

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.

В БЫТУ

(слайд 14)

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.

В ГЕРОНТОЛОГИИ

(слайд 15)

Нанотехнологии предвещают достижение личного
бессмертия людей за счет внедрения в организм
молекулярных роботов, предотвращающих старение
клеток, а также перестройки и
«облагораживания» тканей человеческого
организма. Оживление и излечение тех безнадежно
больных людей, которые были заморожены в
настоящее время методами крионики.

Прогнозируемый срок реализации: вторая
половина XXI века.

В БИОЛОГИИ

(слайд 16)

Станет возможным «внедрение» в живой
организм на уровне атомов. Последствия могут
быть самыми различными — от «восстановления»
вымерших видов до создания новых типов живых
существ, биороботов.

Недавно ученые-биологи открыли способ
активации микро- и наномеханизмов — с
использованием природного реактивного движения.

Реактивные двигатели, успешно используемые
некоторыми видами бактерий могут послужить
настоящими прототипами “наноракет”. К примеру,
мощные выбросы струй слизи некоторыми
бактериями могут быть смоделированы выбросами
микрожидкостных систем, создаваемых с участием
современных технологий. Примером таких бактерий
могут стать миксобактерии (Myxobacteria, от греч. myха
(слизь)), род слизистых бактерий, которые кроме
аквариумов, (где с ними, увы, успели познакомиться
любители домашних рыбок), обитают также в навозе,
на гниющей древесине, в опавших листьях и в почве,
активно участвуя в процессах разложения
органики.

Это организмы микрометрических масштабов,
имеющие нитевидную форму. Они передвигаются
именно с помощью выброса слизи через специальные
сопла в мембране и являют собой настоящие
микроракеты. Ключевой компонент слизи –
молекулярная цепь полисахаридов, — формируется в
соплах путем реакции полимеризации
олигосахаридов. Если цепь образуется медленно,
она так же медленно выделяется из сопла, и
движения не возникает. А вот при более быстром
образовании полисахарида, превышающем по
скорости отток слизи, происходит сжатие этого
“рабочего” тела и слизь «выстреливается»
из клетки.

Выбрасывая сильной струей слизь из одного или
другого набора «форсунок», бактерия может
сдвигаться вперед или назад, что и позволяет ей
передвигаться со скоростью до 10 мкм/с. Ранее
биологи считали, что эта слизь используется в
основном в качестве смазки, и не могли в точности
объяснить, за счет чего эти создания все-таки
умудряются двигаться. Объединив свои усилия с
учеными-физиками, биологи установили, что толчки,
за счет которых эти бактерии продвигаются
вперед, рождаются за счет выбросов под давлением
слизи из своеобразных ‘сопел-форсунок”,
расположенных на поверхности мембран бактерий.

Таких форсунок примерно по 250 штук на каждой
бактерии, они способны синтезировать слизь в
больших количествах.

Ученые полагают, что с использованием
современных наножидкостных систем можно будет
внедрять принцип реактивного движения любых
наносистем. На сегодняшний день это сделать
гораздо проще, чем конструировать искусственный
протонный двигатель.

Прогнозируемый срок реализации: середина XXI
века.

В ЭКОЛОГИИ

(слайд 17)

Полное устранение вредного влияния
деятельности человека на окружающую среду.
Во-первых, за счет насыщения экосферы
молекулярными роботами-санитарами,
превращающими 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.

ДЛЯ ОСВОЕНИЯ КОСМОСА

(слайд 18) Уже полным ходом ведутся проекты
по созданию “космического лифта”, задуманного
еще Циолковским. Принципы всемирного тяготения
позволяют протянуть от Земли в космос некоторый
трос, по которому можно подниматься в космос как
на лифте. Нанотехнологии позволят создать из
нанотрубок такой сверхпрочный и сверхлегкий
трос и воплотить эту мечту в реальность. Помимо
этого проекта рассматривается возможность
освоения других планет нанороботами. Нанороботы
смогут подготовить, например Марс или Луну
пригодной для заселения человеком, построят там
из природных материалов космические станции.

Прогнозируемые сроки – вторая половина ХХ!
века.

В КИБЕРНЕТИКЕ

(слайд 19)

Было время, когда в сотовых телефонах и
ноутбуках использовались только механические
вентиляторы. Размеры устройств от этого сильно
проигрывали. Теперь для охлаждения используются
вентиляторы, встроенные прямо в микросхемы.
Используя набор электродов (опять же сделанных
из нанотрубок) для ионизации и прогонки воздуха,
создаются грозовые облака в миниатюре. Главная
задача – не допустить возникновения молний в
наномире, а облака заряженных частиц пусть
непрерывно летают от одного электрода к другому.
Воздух движется – и микросхема охлаждается…

Ученые работают над созданием робота размером
с молекулу — «вечного» элемента питания,
который не будет нуждаться в подзарядке

Нанотехнологии могут реально осуществить
переход от ныне существующих планарных структур
микросхем к трехмерным микросхемам, при этом
размеры активных элементов уменьшаться до
размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров
достигнут терагерцовых величин. Получат
распространение схемные решения на
нейроноподобных элементах. Появится
быстродействующая долговременная память на
белковых молекулах, емкость которой будет
измеряться терабайтами. Станет возможным
«переселение» человеческого интеллекта в
компьютер.

Прогнозируемый срок реализации: первая — вторая
четверть XXI века.

В ходе конференции группа журналистов задаёт
докладчикам вопросы на интересующие их темы.

Учитель:

Кстати, исследовательская группа Чикагского
Университета получила премию Фейнмана — они
изобрели метод, названный ими dip-pin lithography,
позволяющий чертить линии шириной в несколько
атомов на поверхности золота. А Фейнмановский
приз за “наномоторчик” был получен в 1997 году
лабораторией компании IBM за создание
пропеллеобразной молекулы, которая может сама
вращаться на медной поверхности.

(слайд 20)

Человечество получит исключительно комфортную
среду обитания, в которой не будет места ни
голоду, ни болезням, ни изнурительному
физическому труду. А в перспективе нас ждёт
возникновение “разумной среды обитания” (т.е.
природы, ставшей непосредственной
производительной силой). Нанокомпьютеры и
наномашины заполнят собой все окружающее
пространство: они будут находиться между
молекулами воздуха, присутствовать в каждом
предмете, в каждой клетке человеческого
организма. Весь окружающий мир превратится в
один гигантский компьютер или, что, пожалуй,
будет вернее, человечество сольется с окружающим
миром в единый разумный организм

Естественно, что появляется огромная угроза
возможной потери контроля человеком над этими
процессами. До недавнего времени никто даже не
предполагал, что нанотехнология будет иметь
столь обширное практическое применение. Однако
при этом возникают определенные опасения,
насколько мудрыми люди окажутся в использовании
этих достижений.

Наши ученые и даже руководители страны сознают
важность этого направления, по крайней мере, на
словах. Мы пока ни от кого не отстали в
нанотехнологиях. Кто-то метко заметил: “все
стоят в дверях, но в дверь никто не вошел”. Из
десяти источников синхротронного излучения,
имеющихся в Европе, два работают в России — в
Новосибирске и в Курчатовском центре, а третий
почти готов в Зеленограде. Еще один
синхротронный источник может быть построен в
Дубне. Лучшие в мире сканирующие зондовые
микроскопы, которые работают в 90 институтах РАН,
созданы в Зеленограде и уже несколько лет
приобретаются Европой.

В основе развития всей цивилизации будет
лежать знание о месте каждого атома, каждой
молекулы и каждой частицы. Нужно знать кому куда
мчаться, кому и где столкнуться, где выбить
электрон из ядра или же, наоборот – слиться и
образовать совершенно новую частицу… Только
зная все это, можно будет создать молекулярные
машины, способные преподнести человечеству и
бессмертие, и колонизацию космоса, и все, что
можно придумать.

Опасно перекладывать такие задачи на кого-то
другого, так что пора учить физику.

Подводятся итоги конференции, обсуждаются
наиболее интересные доклады и награждаются
победители.

Литература:

  • Коллектив авторов. Введение в нанотехнологии.
    Элективный курс в программу физики: учебное
    пособие для 10–11-х классов средней
    общеобразовательной школы. – Ульяновск: УлГУ, 2008.
  • Материалы сайта www.transhumanism-russia.ru.
  • Материалы сайта www.den-za-dnem.ru.
  • Следующий: