Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №32 с углубленным изучением отдельных предметов»

Международный конкурс-фестиваль педагогического мастерства

«Проекты в образовании: традиции, опыт и инновации»

Конкурс методических разработок "Проектные технологии в педагогической практике"»

Метод проектов при обучении химии.

Первоуральск

2019 г.

В преподавании химии основная задача состоит в том, чтобы, прежде всего, заинтересовать учащихся процессом познания: научить их ставить вопросы и пытаться найти на них ответы, объяснять результаты, делать выводы. Одним из наиболее распространенных видов исследовательского труда школьников в процессе учения сегодня является метод проектов. Метод проектирования коренным образом меняет функцию учащегося в образовательном процессе. Этот метод делает ученика не объектом, на который направлена обучающая активность учителя, а субъектом процесса обучения. Проект – это возможность делать что-то интересное самостоятельно или в группе, проявить себя, попробовать свои силы, приложить свои знания, принести пользу и показать публично достигнутый результат.

Выполнение проекта требует инициативного, самостоятельного, творческого решения школьником выбранной проблемы, а сама проектная деятельность имеет в основном продуктивный характер. В этом коренное отличие проектной деятельности ученика от его учебной (в основном репродуктивной деятельности на уроке). Также в ходе проектной деятельности возникает новая – образовательная ситуация, которая значительно шире той обычной учебной, которая выстраивается учителем в ходе урока. Внеурочная (внеклассная) работа – неотъемлемый атрибут учебно-воспитательного процесса в школе. Проектные педагогические технологии заняли в этой работе достойное место. Организация проектной деятельности в рамках факультативного курса  способствует углублению и расширению уровня общеобразовательной подготовки учащихся, открывает большие возможности для приобретения личного и профессионального опыта, позволяет выработать у учащихся стремление и умения самостоятельно добывать и использовать знания, отстаивать свою точку зрения, дает возможность приобрести коммуникативные умения и наыки, и более осознанно сделать выбор будущей профессии.

В своей работе практикую выполнение учениками проектов разной сложности.  Учащиеся перед началом работы над проектом получают инструкции — это требования к проекту, методические рекомендации, памятки – как правильно оформить проект, подготовить сообщение и презентацию. Предварительно знакомлю ребят с проектами прошлых лет, в зависимости от поставленного вопроса готовлю небольшие презентации, буклеты, где стараюсь заинтересовать учащихся заняться исследовательской работой и созданием проекта. Ребятам предлагаю примерные темы проектов: история развития химии, химическое производство, химия в быту, химия и здоровье, жизнь и деятельность великих химиков, химия и экология и т.д.

Классификация проектов:

• по количеству учащихся, участвующих в разработке проекта – индивидуальные или групповые;

• по содержанию – предметные и межпредметные;

• краткосрочные (1-2 занятия), среднесрочные (до двух месяцев), долгосрочные;

• по доминирующей деятельности – информационные исследования, проектно-ориентированные и телекоммуникационные проекты.

Учащиеся выполняли исследовательские проекты, тематика их различна. Например:

1. «Стиральные порошки: вред или польза».

2. «Нанотехнологии- технологии будущего».

3. «Жевательная резинка: вред или польза?».

4. Исследование состава и свойств молока.

5. «Русский хром-1915».

Последовательность выполнения исследовательского проекта

На первом этапе происходит определение проблемы – выбор темы исследования, уточнение цели, обсуждение задания. Учащиеся обсуждают тему, уточняют информацию. Учитель объясняет цели проекта.

Второй этап предполагает обсуждение и поиск способов решения проблемы – анализ проблемы, определение источников информации, уточнение планов деятельности, распределение ролей в команде, сбор и уточнение информации. Учащиеся уточняют план деятельности, источники информации. Учитель направляет учащихся, помогает найти оптимальный вариант решения.

Третий этап – поэтапное планирование работы над проектом. Учащиеся выделяют в своих исследованиях этапы. Учитель консультирует учащихся по вопросам составления плана работы.

На четвертом этапе учащиеся выполняют исследование. Учащиеся проводят исследование, работают с информацией. Учитель советует, консультирует.

Пятый этап предполагает обсуждение промежуточных результатов, полученных в ходе работы над проектом.

Учащиеся обсуждают полученные результаты по каждому из этапов. Учитель участвует в обсуждении, консультирует учащихся.

На шестом этапе учащиеся оформляют результаты исследования, указывая при этом цели и задачи работы, методы исследования; выделяется окончательный результат работы над проектом, который может быть представлен в виде: прибора, установки, принципиальной схемы, конкретных рекомендаций, фильма и т.д.

Учащиеся оформляют свой проект. Учащиеся представляют конкретные рекомендации, выводы, прибор, схему, установку, фильм и т.д. Учитель наблюдает, консультирует учащихся.

На седьмом этапе учащиеся защищают проект, готовят доклады, презентации, объясняют полученные результаты.

Учащиеся публично защищают свой проект. Учитель наблюдает, фиксирует ход защиты.

Восьмой этап предполагает оценку и самооценку результатов проведенной работы, рефлексию. Учащиеся оценивают итоги работы, проводят анализ и самоанализ (рефлексия). Учитель и другие учащиеся участвуют в обсуждении и оценивании проекта.

Защита индивидуальных или групповых проектов перечисленных выше осуществлялась в ходе научно - практических конференций различного уровня. Ежегодно учащиеся принимают участие в городских «Химических чтениях» и занимают призовые места. Применение компьютерных технологий позволяют учащимся создавать интересные презентации, в которых отражены способы решения поставленных задач, результаты работы, выводы. В нашем кабинете химии имеется нанобокс. Приведу пример презентации по теме «Нанотехнологии- технологии будущего»

Организация проектно-исследовательской деятельности учащихся создает положительные результаты: у них формируется научное мышление, а не простое накопление знаний. Анализ работ учащихся свидетельствуют о развитии познавательных функций школьников, об их умении критически оценивать различные подходы к решению исследовательских задач, что несомненно будет способствовать успешному  обучению в вузе. Личность, воплотившая собственное исследование и сделавшая свои выводы, как правило, не забывает их на всю жизнь.

Список литературы:

1. Ивочкина Т. Организация научно-исследовательской деятельности учащихся. - Народное образование - №3, 2000 г.

2. Волков С. Чтобы не было скучно / С. Волков // Литература: изд. дом Первое сентября. - 2006. - N 13. - С. 17-19.

3. Глазкова К.Р. Уроки-исследования : формирование творческой, критически мыслящей личности / К. Р. Глазкова, С. А. Живодробова //Химия: изд. дом Первое сентября. - 2006. - № 24. - С. 29-31.

4. Головко О. Научно-практическая деятельность школьников. - Народное образование - №3, 2003 г.

Приложение 1

Для руководства проектной деятельностью учащихся учитель должен:

• владеть всем арсеналом исследовательских, поисковых методов, умением организовать исследовательскую работу учащихся;

• уметь организовать и проводить дискуссии, не навязывая свою точку зрения;

• направлять учащихся на поиск решения поставленной проблемы;

• уметь интегрировать знания из различных областей для решения проблематики выбранных проектов;

• научить учащихся делать выводы по итогам работы и составлять рефераты, доклады презентации, соответствующие требованиям научного стиля изложения материала.

Определяя содержание ученических исследований, учитель должен следить, чтобы все творческие задания были:

• простыми по содержанию и прямо или косвенно связанными с учебной программой, доступными для понимания, учитывать возраст учащихся;

• разнообразными по содержанию;

• интересными по замыслу и содержащими элементы занимательности;

• неординарными по форме проведения, привлекательными для учащихся;

• исследовательские работы учащихся должны способствовать раскрытию закономерностей явлений природы, воспитанию любви к труду, бережному отношению к природе, формированию элементарных навыков научного труда.

Занятия исследовательской деятельностью имеют свои негативные стороны.

• неравномерность учебной нагрузки учащихся и педагогической деятельности учителя на разных этапах работы;

• сложность системы оценивания вклада каждого исполнителя;

• риск неудачного окончания работы;

• повышение эмоциональной и физической нагрузки и на учащихся, и на учителя;

• невозможность включить значительное число учащихся в учебно-исследовательскую деятельность.

.

Приложение 2

Министерство образования Российской Федерации

Управление образования муниципального образования городского округа Первоуральск

Муниципальное автономное образовательное учреждение:

«Средняя общеобразовательная школа №32 с углубленным изучением отдельных предметов»

Пр.Ильича.д,6,

Г.Первоуральск тел/факс 1)834392649156

СО,623100 2)64-90-86,64-92-39

Исследовательский проект

по теме: «Нанотехнологии-технологии будущего»

Направление – современные направления развития химических

технологий

Авторы:

Костин Максим Игоревич

Кетов Константин Игоревич

Учащиеся 8А класса

Населенный пункт: г. Первоуральск

Контактный телефон: +79221671860

E-mail: kketov0219@gmail.com

Руководитель:

Шевлякова Инна Алексеевна

Учитель химии МАОУ СОШ №32

Контактный телефон :89527356331

E-mail: Sh254@bk.u

ГО Первоуральск

2016 год

Содержание

Введение______________________________________________________________2

Глава 1. Понятие нанотехнологии__________________________________________3

Глава 2. История развития нанотехнологий__________________________________4

Глава 3. Применение нанотехнологий в разных отраслях ______________________6

3.1. Наномедицина______________________________________________________7

3.2. Нанотехнологии в сельском хозяйстве__________________________________8

3.3. Применение нанотехнологий в химии __________________________________8

3.4. Нанотехнологии в криминалистике_____________________________________9

3.5. Нанотехнологии для обеспечения безопасности _________________________10

Глава 4 _______________________________________________________________11

Заключение___________________________________________________________13Список литературы_____________________________________________________14

Приложение___________________________________________________________15

Введение

За несколько прошедших десятилетий были найдены новые и более продвинутые энергетические технологии в области науки и инженерии с целью улучшения жизни во всем мире. Чтобы заставить следующие технологии пойти вперед технологий текущего времени, ученые и инженеры развивали новую область науки под названием нанотехнология.

Актуальность исследования тесно связана с ее малоизученостью и необходимостью восполнения недостающей научной информации. Сейчас нет ни одной отрасли науки, в которых не использовались бы нанотехнологии. Поэтому мы решили посвятить нашу работу данной отрасли науки и показать наглядно ее практическое применение.

Цель работы: раскрыть понятие нанотехнологиии, историю их развития, и наглядно показать их практическое применение.

Задачи:

1. Провести анализ различных источников информации об истории возникновения нанотехнологий и их применение в современном мире.

2. Наглядно представить область применения нанотехнологий при помощи «NanoSchoolBox».

3. Сформулировать выводы по итогам исследования.Глава 1.

Понятие нанотехнологии.

Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет. (С. Лем)

Английский термин «Nanotechnology» был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х гг. прошлого века и использован в докладе «Об основных принципах нанотехнологии» на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до начала масштабных работ в этой области. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода «нанотехнология», поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.

Префикс «нано» произошел от древнегреческого слова «нанос», что означает «карлик, карликовый» В наше время он используется для обозначения одной миллиардной части, т.е 10-9.Так, один нанометр (нм) составляет одну миллиардную часть метра, то есть одну тысячную часть микрона.

 Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Данная технология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) [1, с.37]

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Сегодня львиная доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов и загрязнение окружающей среды. Если же мы будем целенаправленно создавать необходимые нам материальные объекты, конструируя их из атомов и молекул, с помощью нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.

Нанотехнологии — это, во-первых, технологии атомного конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организации научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.

Глава 2

История развития нанотехнологий

В природе наночастицы производятся с начала времён. Лабораториями природы являются вулканы, океаны, пустыни с их песчаными бурями, насекомые- опылители, лесные и степные пожары. Интересно отметить, что в результате природных пожаров могут образовываться частицы размером менее 1000нм, а в океанах можно обнаружить частицы, размер которых достигает 10000 нанометров.

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. До н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп – вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани).

1939 г. Компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с лекцией на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. В этом докладе, названном «На дне много места», он выразил идею «управления и контроля материалов на микроскопическом уровне», подчеркивая, что речь идет не только о миниатюризации, но и о таких возможностях, как размещение всей Британской Энциклопедии на кончике булавки. По мнению Ричарда, достигнуть этого можно уменьшая обычные размеры в 25 000 раз без потери разрешения. Он предполагал, что используя подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. «Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами свойства размерности несмотря на то, что речь идет об атомном уровне».

Фейнман не использовал термин «нанотехнология»- его впервые ввёл в употребление японский учёный Норио Танигучи в 1974 году, который применил это определение к технологиям контроля шероховатости поверхностей материалов на субмикронном уровне.

1966 г. Американский физик Рассел Янг, работавший в Национальном бюро стандартов, придумал пьезодвигатель, применяемый сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов с точностью до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A°).

1968 г. Исполнительный вице-президент компании Bell Альфред Чо и сотрудник ее отделения по исследованиям полупроводников Джон Артур обосновали теоретическую возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.

1982 г. В Цюрихском исследовательском центре IBM физики Герд Бинниг и Генрих Рорер (Нобелевские лауреаты 1986 г. Вместе с Эрнстом Руской) создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий строить трехмерную картину расположения атомов на поверхностях проводящих материалов.

1985 г. Трое американских химиков: профессор Райсского университета Ричард Смэлли, а также Роберт Карл и Хэрольд Крото (Нобелевские лауреаты 1996 г.) открыли фуллерены – молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, расположенных в форме сферы. Эти ученые также впервые сумели измерить объект размером 1 нм.

1986 г. Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший наконец визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.

1989 г. Ученые Дональд Эйглер и Эрхард Швецер из Калифорнийского научного центра IBM сумели выложить 35 атомами ксенона на кристалле никеля название своей компании.

1991 г. Японский профессор Сумио Лиджима, работавший в компании NEC, использовал фуллерены для создания углеродных трубок (или нанотрубок) диаметром 0,8 нм. На их основе в наше время выпускаются материалы в сто раз прочнее стали.

1991 г. В США заработала первая нанотехнологическая программа Национального научного фонда. Аналогичной деятельностью озаботилось и правительство Японии. А вот в Европе серьезная поддержка таких исследований на государственном уровне началась только с 1997 г.

1997 г. Эрик Дрекслер объявил, что к 2020 г. Станет возможной промышленная сборка наноустройств из отдельных атомов. До сего времени почти все его прогнозы сбывались с опережением.

1999 г. Американские ученые – профессор физики Марк Рид (Йельский университет) и профессор химии Джеймс Тур (Райсский университет) – разработали единые принципы манипуляции как одной молекулой, так и их цепочкой.

2000 г. Немецкий физик Франц Гиссибл разглядел в кремнии субатомные частицы.

2002 г. Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив единый наномеханизм.

2003 г. Профессор Фенг Лью из университета Юты, используя наработки Франца Гиссибла, с помощью атомного микроскопа построил образы орбит электронов путем анализа их возмущения при движении вокруг ядра.

Глава 3

Применение нанотехнологий в разных отраслях.

Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии. Применение имеет вид дерева, ветви которого представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.

На сегодняшний день (2000 г. – 2010 г.) имеется следующая картина:

1) Биологические науки предполагают развитие технологии генных меток, поверхности для имплантантов,

2) Антимикробные поверхности, лекарства направленного действия, тканевая инженерия, онкологическая терапия.    

3) Простые волокна предполагают развитие бумажной технологии, дешевых строительных материалов, лёгких плит, автозапчастей, сверхпрочных материалов.

4) Наноклипсы предполагают производство новых тканей, покрытие стёкол, «умных» песков, бумаги, углеродных волокон.

5) Защита от коррозии способами нанодобавок к меди, алюминию, магнию, стали.

6) Катализаторы предполагают применение в сельском хозяйстве, дезодорировании, а также производство продуктов питания.

Легкоочистимые материалы находят применение в быту, архитектуре, молочной и пищевой промышленности, транспортной индустрии, санитарии. Это производство самоочищающихся стёкол, больничного инвентаря и инструментов, антиплесневого покрытия, легкоочищающейся керамики.

Биопокрытия используются в спортивном инвентаре и подшипниках.

Оптика как сфера применения нанотехнологии включает в себя такие направления как электрохромику, производство оптических линз. Это новая фотохромная оптика, легкоочистимая оптика и просветлённая оптика.

Керамика в сфере применения нанотехнологии даёт возможность получения электролюминисценции и фотолюминисценции, печатных паст, пигментов, нанопорошков, микрочастиц, мембран.

Компьютерная техника и электроника как сфера применения нанотехнологии даст развитие электронике, наносенсорам, бытовым (встраиваемым) микрокомпьютерам, средствам визуализации и преобразователям энергии. Далее это развитие глобальных сетей, беспроводных коммуникаций, квантовых и ДНК компьютеров.

Наномедицина, как сфера применения нанотехнологии, это наноматериалы для протезирования, «умные» протезы, нанокапсулы, диагностические нанозонды, имплантанты, ДНК реконструкторы и анализаторы, «умные» и прецизионные инструменты, фармацевтики направленного действия.

Космос как сфера применения нанотехнологии откроет перспективу для механоэлектрических преобразователей солнечной энергии, наноматериалы для космического применения.

Экология как сфера применения нанотехнологии это восстановление озонового слоя, погодный контроль.

3.1. Наномедицина.

Наномедицина – область медицинского исследования, которое стремится использовать инструменты из области нанотехнологий для здоровья. Ученые говорят о том, что физические, химические, и биологические свойства материалов в наноразмере глобально отличаются от свойств тех же материалов в крупном размере (в обычном размере). Например, нанотехнология могла бы обеспечить новые технологии изготовления лекарств и новые пути доставки лекарства в ранее недоступные места в теле человека, таким образом, расширяя их потенциал. Маленькие датчики, которые диагностируют болезни в теле намного быстрее, чем существующие диагностические инструменты; это одни из многообещающих областей исследования.

Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

1. Наноструктурированные материалы, в т. ч. поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.

2. Наночастицы (в т.ч., фуллерены и дендримеры). Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа.

4. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является «лаборатория на чипе». Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

5. Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы.

6. Наноинструменты и наноманипуляторы. Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами – наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

7. Микро- и наноустройства различной степени автономности. В настоящее время всё большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

3.2 Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности.

Направления использования нанотехнологий в сельском хозяйстве связаны с воспроизводством сельскохозяйственных видов, переработкой конечной продукции и улучшением ее качества. Нанотехнологии уже используют для обеззараживания воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки семян и урожая в целях его сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов. Есть опыт внедрения этих технологий для уменьшения энергоемкости производства, оптимизации методов обработки сырья и увеличения выхода конечной продукции; разработки новых упаковочных материалов, позволяющих долго сохранять конечную продукцию.

Под эгидой ФАО создана база данных о 160 проектах использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, которые финансировались и разрабатывались на 2006 г. Большинство из них связано с пищевой промышленностью, с использованием наноматериалов для упаковки пищи или определения и, в отдельных случаях, нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов. Развиваются проекты по созданию и улучшению пищевых добавок, получению растительного масла с нанодобавками, которые препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих.

3.3 Применение нанотехнологий в химии

Получение наноматериалов, содержащих неорганические кластеры, образованные чистыми металлами, сплавами металлов, состоящих из элементов переходных групп, оксидами, карбидами и сульфидами металлов, а также углеродными и органическими молекулярными кластерами. Получение материалов, представляющих собой молекулярное сито с точно заданными размерами пор. К подобным материалам в настоящее время относятся нанокристаллы ситаллов, гидроксилаппатита, пористый кремний и т.д. Получение нанозамкнутых атомных оболочек, в первую очередь углеродных, типа фуллеренов и их производных: нанотрубок разного строения, диаметра и хиральности. Получение пленок, в которых наноразмеры фиксируются, создаются с одном направлении. Это могут быть металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки толщиной в несколько атомных молекулярных слоев. Получение наноразмерных катализаторов. Данные катализаторы обеспечивают высокую избирательную способность и высокий выход продуктов реакций. Это достигается изменением функциональных свойств поверхности катализатора, её элементного состава или числа атомов в отдельных наночастицах катализатора.

3.4 Нанотехнологии в криминалистике.

Нанотехнологии находят своё применение при исследовании отпечатков пальцев. Для контрастирования жирных следов пальцев использовали взвесь золотых наночастиц, обладающих гидрофобными свойствами, т.е. способных прилипать к поверхностям, покрытым жиром. Достижения современной нанотехнологии теперь позволят быстро и качественно получить картины отпечатков пальцев с мест преступлений. Современный способ получения криминалистических образцов с нечетких отпечатков пальцев заключается в обработке исследуемой поверхности водной суспензией золота. Однако раствор золота нестабилен, что создает трудности в воспроизводстве анализа от теста к тесту. Теперь Даниэль Мандлер и Иосиф Алмог из Университета Иерусалима предлагают новый подход. Они заменили традиционно использующийся коллоидный раствор золота на более стабильный эквивалент. Наночастицы золота взаимодействуют с жировыми фрагментами отпечатков пальцев за счет гидрофобных взаимодействий и также могут обрабатываться серебром, давая высококачественные отпечатки всего за три минуты обработки

Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случаи размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии – когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление – на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске – размерами с наручные часы – можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.

Нанофотоника. Компании, занимающиеся нанофотоникой, разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства. Такой подход к изготовлению оптических компонентов позволяет ускорить получение их прототипов, улучшить технические характеристики, уменьшить размеры и снизить стоимость.

3.5 Нанотехнологии для обеспечения безопасности

Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. В ближайшие 3–10 лет наиболее перспективны следующие направления использования нанотехнологий в системах безопасности:

1. Новые средства и методы контроля и защиты документов от подделки, например на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных.

2.Системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров, например считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике.

3.Многофункциональные сенсоры «электронный нос» для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ.

4.Более компактные, чуткие и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе наносенсоров.

5.Распределенные массивы наносенсоров типа «умная пыль» для охраны границ и периметров объектов.

6.Магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и грузов в аэропортах, на проходных, на таможне.

Примеры создания перспективных технических средств и систем безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов, имеющие высокую степень завершенности исследований:

1. Антитеррористические средства, в т.ч. гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых, наркотических и других запрещенных к распространению веществ.

2. Системы контроля и управления доступа, паспортного и миграционного контроля, в т.ч.:

А) идентификационные документы и системы контроля и управления доступа на базе нанометок и нанопамяти, включая системы для идентификации лиц на основе получения, записи на защищенный носитель (нанопамять) и цифровой обработки трехмерного видеоизображения;

Б) замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами – нанометками;

В) электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1–10 Гбайт.

Г) В настоящее время в нашей стране сформированы кооперации соисполнителей, способные в кратчайшие сроки реализовать проекты по созданию перспективных систем безопасности. Дело за инвестированием инновационных проектов. И здесь роль государства, как никогда, велика.

Глава 4.

Экспериментальное исследование.

Химический эксперимент.

В последние десятилетия на стыке физики, химии, биологии и медицины в результате поиска решений поставленных перед научным обществом задач возникла новая дисциплина – нанотехнология. В связи с этим мы с научным руководителем решили наглядно продемонстрировать применение нанотехнологий в повседневной жизни и произвести ряд экспериментов, которые приведены ниже.

Эксперимент №1. Покрытие, предохраняющее древесину от царапин.

Панели из МДФ (древесноволокнистых плит средней плотности) с отделкой под дерево в основном используют для производства межкомнатных дверей, передних и задних стенок мебели. Для нанесения на панели нужного рисунка существует множество способов, например, струйная печать. Но у этого способа имеется серьезный недостаток – невысокая механическая прочность поверхности с рисунком.

Чтобы защитить рисунок, на МДФ-панель мы нанесли тонкое защитное покрытие равное 10мкм, в котором содержатся наночастицы.

После высыхания мы протерли несколько раз металлической мочалкой по границе слоя с нанопокрытием и непокрытого слоя МДФ-панели. Мы можем видеть разницу: на поверхности с нанопокрытием нет ни единой царапины, когда сама МДФ-панель сильно деформирована и исцарапана.

Результат: благодаря нанопокрытию можно существенно увеличить срок службы паркетов и других изделий из мягких пород дерева.

Эксперимент №2. Защита от огня.

При пожаре на счету каждая секунда. Уже через несколько минут после возгорания огонь распространяется, активно и в больших количествах начинают выделяться дым и тепло, представляющие серьезную опасность для жизни. Чтобы предотвратить или хотя бы замедлить распространение огня, все горючие материал (дерево, пластмассы, ткани) нужно подвергать обработке защитными средствами.

Бумага состоит в основном из целлюлозы (углеводов). Мы распылили на половину листа бумаги состав из баллончика «Защита от огня», а другую половину оставили без изменений. Дали бумаге высохнуть. Держа лист за обработанную поверхность, мы внесли, его в пламя и ждем, когда огонь дойдет до обработанной поверхности. Мы не потеряли самообладания и не выронили горящий лист бумаги. Таким образом, добравшись до обработанной поверхности огонь погас.

Результат: таким образом, благодаря огнезащитному нанопокрытию можно предотвратить распространение пожара и сохранить многие человеческие жизни. Фосфаты химически связываются с углеводами и способствуют их обугливанию, однако этот процесс протекает без горения. Соединения азота в этом случае выполняют следующую функцию: под воздействием тепла выделяется азот (который является инертным газом, не поддерживающий горение) и вытесняет кислород, который необходим для реакции горения.

Эксперимент №3. Повышение электропроводности с помощью оксидов индия и олова.

Собираем электрическую схему, как показано на рисунке, и сначала включаем в неё необработанное стекло. Положительный полюс батареи подсоединяем к длинному проводу, идущему от светодиода. Светодиоды проводят ток только в одном направлении. Наблюдаем за светодиодом. Затем вставляем в схему стекло с покрытием и повторяем эксперимент.

Результаты: Обычное стекло не способно проводить электрический ток, о чём свидетельствует отсутствие сигнала светодиода. Стекло с покрытием проводит электрический ток. В этом случае мы наблюдаем мигающий сигнал светодиода.

Эксперимент №4 Разделение материалов по плотности с помощью магнитной жидкости.

Положим монету в чашку Петри. С помощью пипетки аккуратно заполним чашку Петри магнитной жидкостью. Монета полностью покрывается магнитной жидкостью и остаётся на дне чашки Петри. Подносим магнит к дну чашки, магнитная жидкость притягивается к дну, а монета отрывается от дна и передвигается по магнитной жидкости.

Результаты: Магнит создаёт поле, действующее в направлении противоположном силе тяжести (гравитационному полю). Магнитные наночастицы в жидкости притягиваются магнитом, и материалы со сравнительно низкой плотностью начинают плавать по поверхности магнитной жидкости.

Эксперимент №5. Огнедышащий факир.

Обрезаем пипетку ножницами с обоих концов так, чтобы получилась трубка, изображённая на рисунке. Зажимаем пальцем узкий конец пипетки и аккуратно насыпаем в неё семена ликоподия (примерно на 2см)- этого будет вполне достаточно для успешного проведения эксперимента. Удерживая пипетку горизонтально, поднесём её к губам и произведём резкий выдох. Источником огня может послужить зажигалка. Необходимо соблюдать технику безопасности.

Результат эксперимента: поскольку споры очень мелкие, они сгорают очень быстро и при этом создают огромный огненный факел. Этим опытом доказывается чрезвычайно высокая реакционная способность очень мелких частиц (30000нм)

Заключение

В результате проведенного исследования по теме «Нанотехнологии -технологии будущего» нами была достигнута цель исследования. Мы считаем, что нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. Технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. В настоящее время это весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники и др.

Практическая значимость нашей работы состоит в том, что ее материалы можно использовать для просвещения обучающихся на уроках химии, биологии, экологии и на классных часах.

Список источников и литературы:

Литературные источники

1.Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. М., 2006. С.32-45

2.Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., 2005.С. 51-55, 78-91.

3.Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М., 2005. С. 10-17

Материалы с сайтов сети Интернет

http:// www.nanotube.ru

http:// www.nanorf.ru

http:// www.nanoware.ru

http:// www.pronano.ru

http://www.passion.ru 

http://www.ifmachines.com

http://www.rosbaltvolga.ru

http://www.navy.ru

http://ru.wikipedia.org.

Приложение.

Приложение №1. Покрытие, предохраняющее древесину от царапин.

Приложение №2. Защита от огня.

Приложение №3.Повышение электропроводности с помощью оксидов индия и олова.

Приложение №4. Разделение материалов по плотности с помощью магнитной жидкости.