Если вы не видели сезон "Смешариков" под названием "Пин код", то обязательно посмотрите. Леди инженер отдыхает. В шутливой мультяшной форме вам расскажут и про электронный микроскоп, и про взрыв сверхновой, и про тепловой насос, и про наночастицы - короче легко и просто про науку - физика, химия, биология, астрономия и т.д. Ну, думаю, одними сценаристами, Гуглом и Википедией тут точно не обошлось. Увидела в титрах строку "научный консультант - Константин Богданов", ага!
Константин Юрьевич Богданов - доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук - несколько лет являлся научным консультантом мультфильма "Смешарики. Пин Код", к сожалению его не стало 21 октября 2014г., помимо мультиков он написал несколько книг, множество статей и даже учебник по физике для 10 и 11 классов. Основной своей задачей ставил популяризацию науки, читал лекции школьникам и студентам. Одной из излюбленных тем являлась лекция о наночастицах и нанотехнологиях. Так что если вы далеки от понимания данной тематики, то ниже я специально привела выдержки из его книги "Что могут нанотехнологии?". Надеюсь, будет интересно.
Чтобы заинтересовать школьников, надо рассказать им о том, как “выглядит” наномир. И рассказать интересно. Например, надо объяснить им, как в наномире исчезает понятие “увидеть”, а остаётся понятие “пощупать” и многое, многое другое… И конечно, когда учащийся удивляется этому новому открывшемуся наномиру, ему хочется понять, как живёт этот мир. Поэтому интерес учеников к физике, химии и биологии растёт. (К.Ю. Богданов)
"Что могут нанотехнологии?"
(К.Ю. Богданов, издательство "Просвещение")
В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Нанометр очень и очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Диаметр эритроцитов – 7000 нм, а толщина человеческого волоса – 80 000 нм. С объектами, имеющими размер от 0,1 нм до 100 нм, и предстоит работать нанотехнологиям, о которых в последнее время так много говорят....
Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных частях – одни оказываются в ядре, другие – в цитоплазме, а третьи – в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека....
С созданием наномашин для ремонта клеток лечение больного превратится в последовательность следующих операций. Сначала, отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, наномашины будут восстанавливать (лечить) клетку за клеткой какой-либо ткани или органа. Затем, отрабатывая орган за органом по всему телу, они восстановят здоровье человека.
[Тут у читателя возникнет вопрос - как вообще возможно создать такие машины? Как можно оперировать такими маленькими телами? Всё это из разряда фантастики. В ответ Константин Юрьевич приводит примеры, которые работают уже сейчас- пусть даже не в промышленном масштабе.]
Инструменты нанотехнологий
Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать для перемещения какого-либо атома в точку, выбранную оператором. Например, если напряжение между иглой микроскопа и поверхностью образца сделать в несколько раз больше, чем надо для изучения этой поверхности, то ближайший к ней атом образца превращается в ион и "перескакивает" на иглу. После этого слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом "спрыгнуть" обратно на поверхность образца. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры, т.е. структуры на поверхности, имеющие размеры порядка нанометра. Ещё в 1990 году сотрудники IBM показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей компании на пластинке из никеля.
[Мы видим один из примеров (далеко не единственный) управления наночастицами - когда человек, в прямом смысле, может собирать из них мозаику. А теперь медицинский пример (тоже не единственный).]
Золотые наночастицы – тепловые бомбы для раковых клеток
Наночастицу из кремния сферической формы диаметром около 100 нм покрывают слоем золота толщиной 10 нм. Такая золотая наночастица обладает способностью поглощать инфракрасное излучение длиной волны 820 нм, нагревая при этом тонкий слой жидкости вокруг себя на несколько десятков градусов.
Излучение длиной волны 820 нм практически не поглощается тканями нашего организма. Поэтому, если изготовить золотые наночастицы, прилипающие только к раковым клеткам, то, пропуская через тело человека излучение этой длины волны, можно нагревать и уничтожать эти клетки, не повреждая при этом здоровые клетки организма.
Учёные обнаружили, что мембрана нормальных клеток отличается от мембран раковых, и предложили наносить на поверхность золотых наночастиц молекулы, облегчающие их прилипание к раковым клеткам. Такие наночастицы, обладающие способностью прилипать к раковым клеткам были изготовлены для нескольких видов рака.
В опытах на мышах была доказана эффективность золотых наночастиц, уничтожающих раковые клетки. Сначала у мышей вызывали раковые заболевания, потом им вводили соответствующие наночастицы, а затем подвергали облучению определённой длины волны. Оказалось, что после нескольких минут такого облучения большинство раковых клеток погибали от перенагрева, а нормальные клетки оставались неповреждёнными. Учёные возлагают большие надежды на этот метод борьбы с раковыми заболеваниями.
[А вот и пример из энергетики будущего]
Нанотрубки – ёмкости для хранения водорода, самого чистого топлива
Запасы угля, нефти и газа на Земле ограничены. Кроме того, сжигание обычных видов топлива приводит к накоплению углекислого газа и других вредных примесей в атмосфере, а это в свою очередь – к глобальному потеплению, признаки которого человечество уже испытывает на себе. Поэтому сегодня перед человечеством стоит очень важная задача – чем в будущем заменить традиционные виды топлива?
Выгоднее всего в качестве топлива использовать самый распространённый химический элемент во Вселенной – водород. При окислении (сгорании) водорода образуется вода, и эта реакция идёт с выделением очень большого количества тепла (120 кДж/кг). Для сравнения, удельная теплота сгорания бензина и природного газа в три раза меньше, чем у водорода. Следует также учесть, что при сгорании водорода не образуется вредных для экологии оксидов азота, углерода и серы.
Предложено довольно много достаточно дешёвых и экологически чистых способов получения водорода, однако, хранение и транспортировка водорода до сих пор являлись одной из нерешённых проблем водородной энергетики. Причиной этого служит очень маленький размер молекулы водорода. Из-за этого водород может проникать через микроскопические щели и поры, присутствующие в обычных материалах, а его утечка в атмосферу может приводить к взрывам. Поэтому стенки баллонов для хранения кислорода следует более толстыми, что делает их более тяжёлыми. В целях безопасности лучше охлаждать баллоны с водородом до нескольких десятков К, что ещё больше удорожает процесс хранения и транспортировки этого топлива.
Решением проблемы хранения и транспортировки водорода может стать устройство, играющее роль «губки», которая обладала бы способностью всасывать водород и удерживать его неограниченно долго. Очевидно, что такая водородная «губка» должна обладать большой поверхностью и химическим сродством к водороду. Все эти свойства присутствуют у углеродных нанотрубок.
Как известно у углеродных нанотрубок все атомы на поверхности. Один из механизмов поглощения водорода нанотрубками – хемосорбция, то есть адсорбция водорода H2 на поверхности трубки с последующей диссоциацией и образованием химических связей C–H. Связанный таким образом водород можно извлечь из нанотрубки, например, при нагреве до 600 градусов Цельсия. Кроме того, молекулы водорода связываются с поверхностью нанотрубок путём физической адсорбции посредством ван-дер-ваальсова взаимодействия.
Считается, что самым эффективным использованием водорода в качестве топлива является его окисление в топливном элементе, в котором происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Таким образом, топливный элемент аналогичен гальваническому элементу, но отличается от него тем, что вещества, участвующие в реакции непрерывно подаются в него извне.
[В данной статье приведены лишь некоторые выдержки из книги для понимания возможностей и потенциалов использования нанотехнологий, которые уже сейчас успешно внедрены в таких отраслях, как медицина, химическая промышленность, компьютерная сфера, микроэлектроника, робототехника и др.]
Ставьте "лайк", тогда сможете чаще видеть этот канал в ленте персональных публикаций.
