Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики

Маніпулювання атомами стало можливим після появи так званого скануючого електронного мікроскопа з тунельним ефектом. Він міг переміщати окремі атоми за допомогою спеціальних електромагнітних полів. Принципова дорога у світ нанотехнологій виявилися відкритими, і вчені не забули нею скористатися. Укладаючи атоми вуглецю в певній послідовності, вони здобули у вісімдесятих роках першу перемогу: зібрали з них дві шестерні, що сидять на валах і вільно на них обертаються. Ці шестірні мали розмір порядку декількох нанометрів. Як тільки з'ясувалося, що таким чином можна побудувати працюючий механізм, почався бурхливий розвиток нанотехнологій. І вже через кілька років вдалося побудувати перший наноелектродвигун.

. У ньому використовувалася  здатність деяких довгих органічних  молекул передавати електричний  струм практично без втрат. Мотор  працював: коли на «обмотку», що представляє собою одну «довгу» молекулу, подавали напруга, ротор, що складається всього з декількох молекул, починав обертатися. Шлях до наноманіпулятора був відкритий. З його створенням люди перестануть потребувати громіздких електронних мікроскопах - переставляти атоми можна буде за допомогою самого маніпулятора. Що впритул наблизить вчених до кінцевої мети.

Яка ж ця мета? Судячи з витрат на дослідження, їх результати повинні бути воістину грандіозними: якась чарівна паличка, вирішальна якщо не всі, то принаймні дуже багато проблем, що стоять перед людством. Пошуки покликані привести до появи універсального інструмента - нанороботи, здатного маніпулювати окремими атомами, просто «захоплюючи» їх і розставляючи в потрібних місцях. Таким чином, можна буде створювати структури будь-якої складності з необхідними властивостями. Потрібно тільки писати відповідні програми.

Нанотехнології відкривають величезні перспективи. Вони дозволять створювати надчисті матеріали, які не можна отримати іншими способами. Якщо кому-небудь для виконання унікального експерименту потрібно алмаз, що перевищує за величиною знаменитий Кохінор, створення його не проблема. Та й не тільки для розстановки атомів знадобляться нанороботи. Вони і самі є надточним інструментом. З їх допомогою можна конструювати нові нанороботи, істотно здешевлюючи виробництво. А недорогим нанороботом вже під силу складати з атомів та унікальні вироби, і предмети повсякденного користування.

Після створення розвиненої інфраструктури нанороботів необхідність у величезних заводах відпаде. Уявіть собі пристрій завбільшки з холодильник, забезпечене комп'ютером. Усередині будуть знаходитися ємність з різними хімічними елементами і колонія нанороботів. Припустимо, ви захотіли почистити зуби. Віддаєте команду комп'ютера - і той активує програму збирання зубної щітки. Нанороботи починають ловити атоми в розчині і розставляти їх по місцях. Через деякий час щітка готова, причому, якщо побажаєте, вже з зубною пастою. Після гігієнічної процедури кладете її назад у ємність, де вона розкладається на вихідні атоми. Таким чином, вартість виробу значно зменшується, оскільки потрібно платити лише за електрику і сам прилад. Крім того, речі не будуть накопичуватися, захаращуючи квартиру.

Не менш грандіозні перспективи відкриваються і перед медициною - людство отримає ліки від усіх існуючих хвороб, і не тільки вірусного і бактеріального походження, але і генетичного. Нанороботи зможуть проникати в клітини організму і виправляти всі пошкодження на молекулярному рівні - тобто зубна щітка не знадобиться зовсім. І нарешті, припиниться подальшому забрудненню навколишнього середовища, адже нова технологія, по суті, безвідходна.

Однак, щоб досягти всього цього, потрібно відповісти на безліч питань. Так, наприклад, ніхто поки не знає, які розміри повинні мати механічні частини роботів і як зробити так, щоб вони відповідали певним вимогам.

Дану проблему можна вирішити експериментально. Припустимо, нам потрібно знати, яку товщину повинна мати «рука» нанороботів. Ми могли б просто створити дослідний зразок і подивитися, зламається вона чи ні. Якщо зламається, то зробити «руку» товстішою, і т.д. Але у цього методу є серйозний недолік. Зараз нанооб'єктів доводиться створювати макрометодами, що дуже дорого, занадто багато роботи і довго. Щоб перебрати багато варіантів і вибрати найкращий, можливо, не вистачить і життя. Тому треба шукати інші шляхи.

Отже, нам потрібно знати характеристики маніпулятора, що по суті є одну гігантську молекулу. Властивості будь молекули повністю визначається міцністю хімічних зв'язків між атомами, з яких вона складається. А як відомо, хімічний зв'язок - не що інше, як взаємодія електронів і ядер атомів. Щоб визначити ці зв'язки, ми повинні знати ймовірність перебування електронів в конкретному місці в певний час. Якщо ймовірність того, що електрон знаходиться між ядрами атомів велика, то зв'язок міцна. Чим нижча ймовірність цього, тим слабше зв'язок.

Проблема була вирішена на початку XX століття. Австрійський дослідник Шредінгер створив рівняння, що дозволяє дізнатися всі властивості хімічної сполуки, навіть не отримавши його на практиці. У рівнянні враховані всі сили, які впливають на електрон. Вчений вирішив його для найпростішого випадку - атома водню - і отримав точно такі ж значення, як і на практиці. Проблема опису зв'язків зникла, але виникла нова - як вирішити саме рівняння Шредінгера. Подумаєш, рівняння - здасться комусь. Проте не варто недооцінювати проблему. Адже отримати результат типу «ікс дорівнює» вдається не так вже й часто. І чим точніше рівняння описує реальний світ, тим менша ймовірність, що воно вирішується на папері. Що ж робити? Треба або спрощувати рівняння, або обчислювати його наближеними методами, а частіше за все доводиться робити і те й інше. Рівняння Шредінгера добре спрощується для кристалів, в яких атоми розміщені строго у вузлах решітки. А кордону кристала, де регулярна структура обривається, розташовані відносно далеко, та їхнім впливом можна просто знехтувати. Саме такий підхід дозволив дізнатися властивості напівпровідників, що в кінцевому підсумку призвело до створення сучасних інтегральних схем. Для маніпуляторів нанороботів все інакше. Атомів настільки мало, що всі вони є граничними, і вирішувати рівняння у спрощеному вигляді безглуздо. Доводиться шукати точне рішення. З іншого боку, атомів настільки багато, що знайти точне рішення неймовірно складно. Для найпростішого випадку - молекули водню, що складається з двох атомів, рішення рівняння Шредінгера не становить проблеми. Але чим складніше молекула, тим довше його рахувати.

Серед найпоширеніших нанопристроїв на сьогоднішній день - нанотрубки. Вони відіграють різні ролі: від молекулярних фільтрів, що діють як звичайні сита, і до тривимірних шестерень, без яких важко уявити собі який-небудь механізм. Нанотрубки на малюнку майже цілком складаються з вуглецю, а точніше з замкнутих графітових шарів. Зверніть увагу на виступи з обох боків трубок: саме вони виконують функції зубів, що перетворюють нанотрубки в шестерні.

Проблеми та перспективи розвитку: розвиток нанотехнологій неможливо без самого сучасного наукового обладнання (найскромніша нанолабораторія коштує не менше 10 млн. доларів). На думку експертів, щоб нанотехнології стали реальністю, щорічно необхідно витрачати не менше $ 1 трлн. Саме фінансування даної галузі є першорядним фактором розвитку. Нанотехнологія є високотехнологічною галуззю науки, а розвиток таких областей неможливо без серйозних капіталовкладень.

У 2000 р . в США прийнята довгострокова президентська комплексна програма фінансування нанотехнологій (в 2001 р . - 460 млн. доларів, в 2004 р . - 1 млрд., 2005 - 2007 р - 1,2 млрд. доларів на рік.). У 2001-2002 рр.. подібні програми прийняті в Євросоюзі, Японії, Китаї, Південній Кореї та ін У Росії фінансування нанотехнологій у 2001 - 2004 р . не перевищувало 20 млн. доларів на рік в усіх наукових програм. Але в 2005 - 2006 р . із затвердженням нової редакції ФЦНТП "Дослідження та розробки за пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки" фінансування зросло на 70 млн. доларів на рік. в рамках пріоритетного напрямку "Індустрія наносистем і матеріали".

З початку 2007 р. в Росії діє Федеральна цільова програма (ФЦП) "Дослідження та розробки з пріоритетних напрямів розвитку науково-технологічного комплексу Росії на 2007 - 2012 роки" з бюджетним фінансуванням у розмірі 134 млрд. рублів (5 млрд. доларів), з яких на частку нанотехнологій доводиться менше 50. В даний час йде створення Російської корпорації нанотехнологій, на фінансування якої найближчим 4 роки планується направити 180 млрд. рублів (з них 130 млрд. руб. З федерального бюджету, в 2007 р . - 30 млрд. руб.).

Нанороботи здатні втілити в життя мрію фантастів про колонізацію інших планет. Мабуть, освоєння космосу "звичайним" порядком буде передувати освоєння його нанороботами. Величезна армія роботів-молекул буде випущена в навколоземний космічний простір і підготує його для заселення людиною - зробить придатними для проживання Місяць, астероїди, найближчі планети, спорудить з «підручних матеріалів» (метеоритів, комет) космічні станції. Це буде набагато дешевше і безпечніше існуючих нині методів. Зараз у цьому плані був створений проект космічного ліфта з вуглецевих нанотрубок (NASA і компанія LiftPort Inc). За цим проектом, запуск ліфта намічений на 12 квітня 2018 року.

Неймовірні перспективи відкриваються також у галузі інформаційних технологій. Відбудеться перехід від нині існуючих планарних структур до об'ємних мікросхем, розміри активних елементів зменшаться до розмірів молекул. Робочі частоти комп'ютерів досягнуть терагерцових величин. Отримають поширення схемні рішення на нейроноподобних елементах. З'явиться швидкодіюча довготривала пам'ять на білкових молекулах, місткість буде вимірюватися терабайтами. Стане можливим «переселення» людського інтелекту в комп'ютер.

Нанотехнології мають і блискуче військове майбутнє. Військові дослідження у світі проводяться в шести основних сферах: технології створення і протидії "невидимості" (відомі літаки-невидимки, створені на основі технології stealth), енергетичні ресурси, самовідновлювальні системи (наприклад, дозволяють автоматично ремонтувати пошкоджену поверхню танка або літака), зв'язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень.

Нарешті, за рахунок впровадження логічних наноелементів в усі атрибути навколишнього середовища вона стане «розумною» і виключно комфортною для людини.

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

З обігом часу все частіше звучить критика щодо нових програм і підручників як для загальноосвітніх середніх навчальних закладів, так і для ВНЗ. Зрозуміло, що ця критика стосується не термінів видання підручників, а їх змісту. Критики відмічають, що теперішні програми і підручники містять застарілу інформацію про наукові методи, бачення, підходи, гіпотези, теорії і відкриття, котрі були зроблені в минулі століття і фактично передбачають виклад історії фізичних відкриттів. Фактом є й те, що, на жаль, на сьогодні не видано програм і підручників, які б містили найновішу інформацію про досягнення сучасної фізики та їх втілення у виробничі процеси на основі різноманітних високих технологій, насамперед, про проривні відкриття у нано-, піко- і фемторозділах фізики.

У цьому плані відзначаються і недоліки створених у нас державних стандартів освіти, які не сприяють мінімізації розриву між змістом природничо-наукових предметів і передовими досягненнями нанонаук.

3.1.Викладання  елементів нанофізики і нанотехнологій  в основній школі.

Вивчення початкових відомостей про нанотехнології в основній школі можна поєднати з такими розділами та складовими частинами навчальної програми:

В 7-му класі при вивченні розділу «Починаємо вивчати фізику» можна використати матеріал про нанотехнології, а саме в таких питаннях, як: зв’язок фізики з повсякденним життям, технікою і виробничими  технологіями; мікро-, макро- і мегасвіти; виміри простору, довжина та одиниці довжини.

Під час вивчення розділу «Будова речовини» можливий варіант викладання відомостей про нанотехнології в наступних темах: атоми і молекули, будова атома; кристалічні та аморфні тіла. А в розділі «Світлові явища» можна внести відомості про нанотехнології під час побудови зображень у лінзах і під час вивчення оптичних приладів

Продовжуючи вивчення фізики в 8-му класі слід впроваджувати знання про нанотехнології на узагальнюючих заняттях з тем: енергозберігаючі технології; використання енергії людиною та охорона природи.

В 9-му класі можна приділити нанотехнологіям більше уваги увівши ряд відомостей та понять в такі розділи програми: електричне поле, електричний струм, атомне ядро та атомна енергетика під час вивчення дискретності електричного заряду, будови атому, електрона, провідники напівпровідники, акумулятори, під час вивчення сили струму, досліди Резерфорда. На узагальнюючих заняттях можна продовжити ознайомлюватись з відомостями про нанотехнології при огляді тем вплив фізики на суспільний розвиток та науково-технічний прогрес; фізична картина світу; ядерна енергетика та сучасні проблеми екології.

 Упровадження початкових  відомостей про нанотехнології  в навчальний процес при вивченні  фізики в загальноосвітніх навчальних закладах можна здійснити за програмою, приблизно схожою на запропоновану Паращуком Д.Ю., намагаючись забезпечити в ній послідовність та логіку подачі матеріалу про нанотехнології.

У вступній частині варто дати визначення нанотехнології, представивши нанотехнології як логічну ланку «ланцюга» розвитку науково технічного прогресу: від ручної праці кам’яного віку до використання механічних пристроїв, використання енергії пари, електрифікації виробничих процесів, ядерної енергетики, освоєння космосу, комп’ютерної революції. Також обов’язково слід зробивши зауваження, що оскільки це абсолютно нова галузь знання, то визначення її ще не утвердилося, тому на цей час їх існує декілька. За оцінками вчених наслідки нанотехнологічної революції передбачаються ще глибшими і масштабнішими.

Особливо уважно слід підходити до питань історії виникнення нанотехнологій. Різні джерела беруть за початок розвитку нанотехнологій різні дати, починаючи з Демокріта який увів термін «атом». Пов’язується ця дата з прізвищами ра, Планка, Резерфорда, Бора, Гамова, Фейнмана та інших вчених. Учням можна подати етапи розвитку в загальному вигляді:

400 р. до н.е. Демокріт використав  термін «атом», що для характеристики  найменшої частини речовини означає  – «неподільний».

1900 р. Німецький фізик  Макс Планк висловив припущення, що світло випромінюється і  поглинається окремими порціями  – квантами, що породило сумнів  щодо неподільності атома.