Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики

 

 

Зміст

Вступ

Розділ I. Нанофізика – основа нанотехнологій.

1.1. З історії виникнення і розвитку нанофізики.

1.2. Фізичні основи (принципи) дослідження властивостей нанооб’єктів.

1.3. Методи отримання наноматеріалів.

Розділ II. Стан та перспективи розвитку нанофізики і нанотехнологій.

2.1. Наноматеріали та їх фізичні властивості.

2.2. Застосування наноматеріалів – сучасний стан.

2.3. Перспективи розвитку та застосування нанотехнологій.

Розділ ІІІ. Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики.

3.1.Викладання  елементів нанофізики і нанотехнологій  в основній школі.

3.2. Викладання  елементів нанофізики і нанотехнологій  в старшій школі.

Висновки

Список використаних літературних джерел

 

Вступ

Актуальність теми. Людство пройшло багато етапів розвитку, пов’язаних  з  важливими  відкриттями, які дали  інтенсивний  імпульс подальшому поступу цивілізації. Це винайдення колеса, металів – міді, бронзи, заліза; революційним стало усвідомлення геліоцентричної будови Сонячної системи й того, що Земля – куля. Особливо важливі етапи – створення парового двигуна, а згодом – розуміння будови атома,  відкриття  елементарних  частинок (електрона, протона, нейтрона тощо), усвідомлення  обмеженості  ньютонівської  моделі будови Всесвіту,  створення  квантової теорії  будови матерії  та  теорії  відносності Ейнштейна тощо. У XX столітті були започатковані й нині бурхливо розвиваються принципово нові галузі енергетики (атомна), техніки (лазери, комп’ютери), сучасні глобальні засоби комунікації (Інтернет) тощо.

Тепер більшість з нас уже не може уявити собі життя без сучасних досягнень науки, техніки, медицини. Наступним кроком у цьому розвитку стане освоєння нанотехнологій, а саме, систем дуже малого розміру, здатних виконувати команди людей. Мною було проведено узагальнюючий аналіз статей, виступів, теоретичного матеріалу з області нанотехнологій. Дана тема роботи зацікавила мене своїми перспективами, що відкриваються для людства здатністю вивести життя на абсолютно новий рівень.

Протягом останнього десятиріччя термін «нанотехнології» міцно закріпився в суспільній свідомості, ставши синонімом в понятті нового. Використовують його навіть в рекламних роликах від електротехніки до косметики.

Грецьке слово "нанос" приблизно означає "гном". При зменшенні розміру частинок до 100 нм і менше, властивості матеріалів (механічні, електричні і т.д.) істотно змінюються. Фундаментальні дослідження явищ, що відбуваються в структурах з розмірами менше 100 нм, дали початок розвитку нової галузі знань, яка, вочевидь, в близькому майбутньому внесе кардинальні зміни до технологій XXI  сторіччя.

Термін «нанонаука» використовується зараз для позначення досліджень явищ на атомному та молекулярному рівні і наукового обґрунтування процесів нанотехнології, кінцевою метою якої є отримання наноматеріалів. Нанонаука, таким чином, може розглядатися як початковий етап нанотехнології, коли до створення матеріалів ще досить далеко.

Різниця між властивостями малих часток та властивостями масивного матеріалу відома вченим давно і використовується в різних областях науки та техніки. Прикладами наноматеріалів може бути виготовлення цифрових відеодисків (DVD). В галузі медицини можливе створення роботів-лікарів, здатних “ жити ” всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи їх виникненню. Теоретично нанотехнології здатні забезпечити людині фізичне безсмертя, за рахунок того, що наномедицина зможе нескінченно регенерувати клітини, що відмирають. Вражаючі приклади пов'язані з біологією, де жива природа демонструє нам наноструктури на рівні клітинного ядра. Якісна характеристика нанотехнології полягає  в практичному використанні нового рівня знань про фізико-хімічні властивості матерії. У цьому одночасно і винятковість нанотехнології - новий рівень знань передбачає вироблення великих змін в напрямах розвитку техніки, сільськогосподарського виробництва, а також змін в екологічній, соціальній і військовій сферах.

Використання цих властивостей на практиці і складає суть нанотехнологій. На її основі вже реалізовані зразки наноструктурованих надтвердих, надлегких, корозійностійких і зносостійких матеріалів і покриттів, каталізаторів з високорозвиненою поверхнею, нанопористих мембран для систем тонкого очищення рідин, надшвидкісних приладів наноелектроніки.

Отже, все сказане вище зумовлює актуальність дослідження теми «Фізика і нанотехнології» на даний час.

Об'єктом вивчення є фізичні явища і процеси в області нанопростору.

Предмет дослідження – фізичні основи нанотехнологій та їх застосування у науці й техніці.

Мета роботи: розкрити особливості фізичних процесів в області нанотехнологій та перспективи їх застосування.

Завдання: 

- ознайомиться з фізичними методами дослідження нанооб’єктів;

- розглянути використання  наноматеріалів;

- оцінити проблеми та перспективи майбутнього нанотехнологій;

 

Розділ I. Нанофізика – основа нанотехнологій

 

1.1. З історії виникнення і розвитку нанофізики

Один нанометр (від грецького «нано» - карлик) дорівнює одній мільярдній частині метра. На цій відстані можна впритул розташувати приблизно 10 атомів. Мабуть, першим ученим, що використав цю одиницю виміру, був Альберт Ейнштейн, який у 1905 р. теоретично довів, що розмір молекули цукру дорівнює одному нанометру.

У 1931 р. Німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Руска створили електронний мікроскоп, що вперше дозволив досліджувати нанооб'єкти. Він і став прообразом нового покоління подібних пристроїв, що дозволили заглянути в наносвіт.

У 1932 р. голландський професор Фріц Церніке, Нобелівський лауреат 1953 р., винайшов фазово-контрастний мікроскоп - варіант оптичного мікроскопа, що поліпшує якість показу деталей зображення, і дослідив за його допомогою живі клітини (раніше для цього доводилося застосовувати барвники, які вбивали живі тканини).

Цікаво, що Церніке пропонував свій винахід фірмі «Цейс», але менеджери не усвідомили його перспективності, хоча сьогодні такі мікроскопи активно застосовуються в медицині.

У 1939 компанія Siemens, в якій працював Руска, випустила перший комерційний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 10 нм.

Днем народження нанотехнологій вважається 29 грудня 1959. Саме тоді професор Каліфорнійського технологічного інституту Річард Фейнман (Нобелівський лауреат 1965 р.) у своїй лекції «Як багато місця там, внизу» («There's plenty of room at the bottom»), прочитаної перед Американським фізичним товариством , відзначив можливість використання атомів як будівельних часток.

1966 Американський фізик Рассел Янг, який працював у Національному бюро стандартів, придумав п'єзоелектричний двигун, який використовується сьогодні в скануючих тунельних мікроскопах і для позиціонування наноінструментів з точністю до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A °).

1968 Виконавчий віце-президент компанії Bell Альфред Чо і співробітник її відділення з досліджень напівпровідників Джон Артур обґрунтували теоретичну можливість використання нанотехнологій у вирішенні задач обробки поверхонь і досягнення атомної точності при створенні електронних приладів.

1971 Рассел Янг висунув ідею приладу Topografiner, що став прообразом зондового мікроскопа. Настільки тривалі терміни розробки подібних пристроїв пояснюються тим, що спостереження за атомарними структурами призводить до зміни їх стану, тому були потрібні якісно нові підходи, які не руйнують досліджувану речовину.

Щоправда, невдовзі роботи над Topografiner були припинені, і визнання до Янга прийшло тільки в 1979 р., після чого він отримав безліч нагород.

1974 Японський фізик Норіо Танігучі, що працював у Токійському університеті, запропонував термін «нанотехнології» (процес поділу, складання і зміни матеріалів шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою), який швидко завоював популярність у наукових колах.

1982 У Цюріхському дослідному центрі IBM фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер (Нобелівські лауреати 1986 разом з Ернстом Руска) створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), що дозволяє будувати тривимірну картину розташування атомів на поверхнях електропровідних матеріалів.

СТМ діяв за принципом, схожим із закладеним в Topografiner, але швейцарці створили його незалежно від Янга, домігшись значно більшої роздільної здатності і розпізнавши окремі атоми в кальцієво-іридієво-олов'яних кристалах.

Головною проблемою в дослідженні були фонові перешкоди - вістря мікроскопа, яке позиціонувалося з точністю до розмірів атома, збивалося від найменших шумів і вібрацій що доносилося з вулиці.

1985 Троє американських хіміків: професор з Університету Райса Річард Смеллі, а також Роберт Карл і Херольд Крото (Нобелівські лауреати 1996 р.) відкрили фуллерени - молекули, що складаються з 60 атомів вуглецю, розташованих у формі сфери. Ці вчені також вперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.

1986 Герд Бінніг розробив зондовий скануючий атомно-силовий мікроскоп, що дозволив нарешті візуалізувати атоми будь-яких матеріалів (не тільки електропровідних), а також маніпулювати ними.

1986 Американський вчений Ерік Дрекслер, який працював у лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного інституту, написав книгу «Машини творення» («Engines of Creation»), в якій висунув концепцію універсальних молекулярних роботів, що працюють за заданою програмою і збирають що завгодно (у тому числі і собі подібних) з підручних молекул.

Ця ідея була, мабуть, навіяна Дрекслеру його основною діяльністю - в задачах штучного інтелекту ідея самовідтворювваних пристроїв зустрічається постійно.

Учений вже тоді досить точно передбачив чимало прийдешніх досягнень нанотехнологій, і починаючи з 1989 р. його прогнози збуваються, причому нерідко зі значним випередженням термінів.

1987-1988 рр. У НДІ «Дельта» під керівництвом П.М. Лускіновича запрацювала перша російська нанотехнологічна установка, яка здійснювала спрямовану емісію частинок з вістря зонда мікроскопа під впливом нагрівання.

1989 Учені Дональд Ейглер і Ерхард Швецер з Каліфорнійського наукового центру IBM зуміли викласти 35 атомами ксенону на кристалі нікелю назву своєї компанії.

Для першого в світі цільового перенесення окремих атомів у нове місце вони використовували СТМ виробництва IBM. Щоправда, такий напис проіснував недовго - атоми швидко розбіглися з поверхні.

Але сам факт наявності стороннього атома в молекулярній структурі деякої речовини відкривав потенційну можливість створення молекулярних автоматів, які давали можливість виявити присутність або відсутність певного атома в деякій позиції як логічий стан.

1991 Японський професор Суміо Іідзіма, що працював в компанії NEC, використовував фуллерени для створення вуглецевих трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм. На їх основі в наш час випускаються матеріали у сто разів міцніші за сталь. Залишалося навчитися робити такі трубки якомога більш довгими. Крім того, відкрилася можливість збирати з нанотрубок різні наномеханізми з зачепами і шестерінками.

Програміст Уоррен Робінет і хімік Стен Уїльямс, співробітники університету Північної Кароліни, виготовили наноманіпулятор - робот розміром з людину, керований через інтерфейс віртуальної реальності.

1991 р. У США запрацювала перша нанотехнологічна програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю почав займатися й уряд Японії. А от у Європі серйозна підтримка таких досліджень на державному рівні розпочалася тільки з 1997 р.

1997 Ерік Дрекслер оголосив, що до 2020 р. стане можливою промислова збірка нанопристроїв з окремих атомів. До цього часу майже всі його прогнози збувалися з випередженням.

1998 Сиз Деккер, голландський професор Технічного університету м. Делфтса, створив транзистор на основі нанотрубок, використовуючи їх як молекули. Для цього йому довелося першим у світі виміряти електричну провідність такої молекули.

З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.

У Японії запущена програма «Astroboy» з розвитку наноелектроніки, здатної працювати в умовах космічного холоду і при спеці в тисячі градусів.

1999 Американські вчені - професор фізики Марк Рід (Єльський університет) та професор хімії Джеймс Тур (університет Райса) - розробили єдині принципи маніпуляції як однією молекулою, так і їх ланцюжком.

2000 Німецький фізик Франц Гіссібл розгледів в кремнії субатомні частинки. Його колега Роберт Магерле запропонував технологію нанотомографії - створення тривимірної картини внутрішньої будови речовини з роздільною здатністю 100 нм. Проект фінансувала компанія Volkswagen.

Уряд США відкрило Національну нанотехнологічну ініціативу (NNI). У бюджеті США на цей напрямок виділено 270 млн. дол., комерційні компанії вклали в нього в 10 разів більше.

2001 Реальне фінансування NNI перевищило заплановане (422 млн. дол.) на 42 млн. Марк Ратнер вважає, що нанотехнології стали частиною життя людства саме в 2001 році. Тоді відбулися дві знакові події: впливовий науковий журнал Science назвав нанотехнології - "проривом року", а впливовий бізнес-журнал Forbes - "новою багатообіцяючою ідеєю". Нині по відношенню до нанотехнологій періодично вживають вираз "нова промислова революція".

У Томському державному університеті Росії розроблені склади і технологія одержання нових тонкоплівкових наноструктурних матеріалів на основі подвійних оксидів цирконію і германію, що мають високу хімічну, термічну стійкість і володіють хорошою адгезією до різних підкладок (кремнію, скла та ін.) Товщина плівок становить від 60 до 90 нм, розміри включень - 20-50 нм. Отримані там матеріали можуть бути використані як покриття: Скла (сонцезахисні - добре пропускає видиме світло і відображає до 45-60% теплове випромінювання, теплозахисні - відображає до 40% сонячної радіації); Ламп (збільшення світлової віддачі на 20-30%); інструментів (захисно-зміцнюючі - збільшення терміну служби виробів). Ведуться роботи і в Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна. Напрями досліджень: поверхневі явища, фазові перетворення і структура конденсованих плівок. Дослідження проводяться над плівками металів і сплавів (1.5 - 100 нм), одержувані методом конденсації у вакуумі на різних підкладках шляхом електронної мікроскопії, електронографії.