Интегрированный урок (информатика + химия) "Опасны ли нанотехнологии?"

1. Ознакомить участников конференции с основными достижениями и проводимой исследовательской работой в области нанотехнологий в мире.
2. Осознание обучающимися необходимости привлечения общественного внимания к открытиям и их использованию в повседневной жизни.

1. Создание условий для ознакомления участников конференции с основными открытиями в области нанотехнологий и выявление основных проблем связанных с их применением в повседневной жизни;
2. Продолжить развитие умения анализировать, сопоставлять факты, выделять главное, устанавливать причинно – следственные связи, формировать умения работать с различными литературными источниками;
3. Формирование у ребят научных представлений о единой, реальной картине мира; понимание актуальности практического применения полученных знаний в повседневной жизни;
4. Создание условий для самоорганизации и коммуникативных умений при работе в группах.

Вид урока: урок – конференция

Предварительная работа:

После оглашения проблемы и распределения ролей имеет место подготовительный этап. Все обучающиеся могут подобрать факты, используя различные источники: научную литературу, публикации в СМИ и сети Интернет. Подготовить теоретическое сообщение и электронное сопровождение своего выступления. В этом случае игра будет более аргументированной и серьезной, а значит, будет оказывать более глубокое влияние на ее участников.

• формирование групп: ведущий; сотрудники НИИ; сотрудники завода по производству УНТ; сотрудники “Центра научных исследований”; работники Комиссии по гражданским свободам; представители прессы и т.д.
• работа с различными источниками информации;
• сбор материалов, обобщение и анализ полученных данных;
• подготовка электронного сопровождения своих выступлений.

Организационный момент: вступительное слово преподавателя в произвольной форме (слайд 1,2,3). В последние годы в заголовках газет и в журнальных статьях мы все чаще встречаем слова, начинающиеся с приставки “нано”. И сегодня мы с вами подробнее рассмотрим вопросы, связанные с “нанонаукой”, “нанотехнологией” и “нанодостижениями”.

Ведущий: произносит вступительное слово и начинает конференцию. Представители СМИ задают заранее подготовленные вопросы, а сотрудники и работники различных организаций отвечают.

Вопрос: Что означает слово “нано”?

Ответ: (слайды 4,5) Оно происходит от латинского слова nanus – “карлик” и буквально указывает на малый размер частиц. В приставку “нано” ученые вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть. Например, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, или 0,000 000 001 м (10^-9).

Вопрос: Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых?

Ответ: Изучаемые объекты, как правило, имеют привычные нам размеры и обладают набором химических и физических свойств. Если представить, что размер исследуемого объекта приблизится к размеру крупных молекул, то свойства вещества станут совсем другими. В этом случае мы достигли наноуровня, т.е. получили наночастицы. Они обладают огромной общей поверхностью, что приводит к проявлению многих необычных свойств и делает исследуемые объекты совсем не похожими на обычное вещество.

Вопрос: Что значит термин “нанонаука” и как развивается эта наука?

Ответ: (слайд 6) В научном языке уже устоялся термин “нанонаука”, который обозначает область исследования частиц нанометровых размеров. Поскольку с точки зрения фонетики русского языка это название не очень удачное, можно использовать другое, тоже общепринятое – “наноразмерная наука”. Нанонаука развивается на стыке химии, физики, материаловедения и компьютерных технологий. Задачи нанонауки сводятся к исследованию механических, электрических, магнитных, оптических и химических свойств нанообъектов – веществ и материалов. Нанохимия как одна из составляющих нанонауки занимается разработкой методов синтеза и изучением химических свойств нанообъектов.

Вопрос: Как связаны между собой “нанонаука” и “нанотехнология”?

Ответ: (слайд 7) Научные исследования и технологические разработки, которые сейчас относят к области нанонауки и нанотехнологий, ведутся примерно с середины ХХ века (а некоторые нанотехнологические практики известны на протяжении сотен и даже тысяч лет). Термин “нанотехнологии” ввел в научный оборот японский исследователь Норио Танигути в 1974 году. Достижения нанонауки служат основой для развития нанотехнологий – технических процессов производства и применения нанообъектов. Нанотехнологам приходится манипулировать объектами величиной в 1-100 нм, т.е. имеющими размер отдельных крупных молекул. Существует строгое определение нанотехнологии (официально принято в российской госкорпорации “Роснанотех”): это – совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1-100нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

Вопрос: В последнее время в СМИ много говорят и пишут о веществе, которое перевернет индустрию электроники – это графен. Что собой представляет графен?

Ответ: (слайды 8,9) Если вы представите самый-самый тонкий материал, тоньше которого вы уже сделать не можете, самый эластичный, самый прочный, самый проводящий и т.д. это и будет графен. По физике – это один слой атомов углерода. Если вы будете брать атомы углерода и укладывать их один к другому, чтобы они создавали шестиугольные ячейки, то вы получите ровно графен. Графен похож на ткань, только в 200 раз прочнее стали. Прозрачный, тонкий, не рвется, зато тянется и гнется во все стороны. Это снаружи. А внутри скорость перемещения электронов в нем в 200 раз выше, чем в кремнии, на базе которого сейчас работает вся микроэлектроника.

Вопрос: Какова история открытия графена?

Ответ: История открытия графена начиналась забавно. Однажды в начале нулевых Гейм и Новоселов обратили внимание на мусорное ведро. Каждый вечер их коллеги выбрасывали туда ленты скотча, с помощью которого готовили образцы графита для работы на сканирующем тоннельном микроскопе. Скотчем обклеивали графитовые стержни, потом срывали и выбрасывали. Графит отдавал скотчу верхние слои, оставляя себе идеально гладкую поверхность. Она-то и интересовала коллег, а Гейма и Новосёлова заинтересовал Скотч и то, что на нем оставалось. Склеивая и разлепляя скотч с графитом, ученые, в конце концов, добились невозможного – получили слой графита толщиной в один атом. А заодно и прозвище – мусорные ученые. Дальше была знаменитая статья в журнале Science за подписью Новосёлова, Гейма и их коллеги Сергея Морозова. Дальше – азарт производителей и инвесторов, дальше – Нобелевская премия.

Вопрос: Как отмечена работа ученых открывших грефен?

Ответ: (слайд 10) Нобелевская премия по физике в 2009 году присуждена за графен молодым ученым из России Андрею Гейму (из Сочи, 51 год, закончил МФТИ с красным дипломом в 1982 году) и Константину Новосёлову (из Н-Тагила, 36 лет, закончил МФТИ с красным дипломом в 1997 году), которые создали новую форму углерода. В настоящее время они работают в Манчестере.

Вопрос: Каковы достижения по разработке промышленных способов получения графена?

Ответ: Над технологиями получения графена работает чуть ли не весь мир. Особенно преуспели корейцы. В июне 2009 года они продемонстрировали публике сенсорный экран с большой диагональю на основе графена. Искомые километры этого наноматериала авторы проекта предлагают получать путем химического осаждения углеродного сырья на медную пластину. Если технология окажется рентабельной, нас ждет новый, новый мир.

Вопрос: Что представляют собой Углеродные нанотрубки?

Ответ: (слайд 5) УНТ (углеродные нанотрубки) – получают из графитовых плоскостей – сетка атомов углерода (слайд..) размеры нанотрубок поражают воображение : несколько микрон в длину, а диаметр в 100 раз меньше, т.е. нанотрубка в 10 000 раз тоньше волоса! Не менее удивительны и их физические свойства: так, сплетенный из нанотрубок канат в 10 раз прочнее стального троса такого же диаметра. А поскольку унт – это ещё вдобавок и отличный термо– и электропроводник, то легко понять, как ждут промышленники повсеместного внедрения подобных технологий.

Вопрос: Возможно ли применение продуктов нанотехлогии в медицине?

Ответ: (слайд 11,12) Не сегодня-завтра нанороботов начнут запускать в наш организм для лечения больных клеток. Но прежде чем начать подобные эксперименты, неплохо бы проверить, не опасна ли новая технология для здоровья человека и исследователи всего мира ведут испытания, пытаясь понять, могут ли наночастицы нанести вред человеческому организму. Проведенных исследований недостаточно, т.к. нет результатов долгосрочных экспериментов. Ученые считают, что риск воздействия УНТ на организм человека реально существует.

Вопрос: Что же делать?

Ответ: Значит, надо позаботиться о мерах предосторожности. Что это за меры? До тех пор пока людям не станет известно о токсичности или, наоборот, безвредности наноструктур, лучше по возможности воздержаться от их применения по отношению к человеку. Иными словами, все рассказы о доставке лекарственных препаратов к больным органам человека не более чем научная гипотеза.

Вопрос: Какие ещё опасности несут с собой нанотехнологии?

Ответ: (слайд 13) Вы когда-нибудь слышали об электронных устройствах RFID, т.е. “радиочастотная идентификация”? Эти товарные этикетки 21 века уже кое-где заменяют штриховые коды на многоразовых проездных билетах. Они размером с почтовую марку. Этого вполне хватает, чтобы поместить на них достаточный объем памяти (с личными данными человека и его медицинской картой и т.д.), а также небольшую антенну в форме плоской змейки, чтобы можно было передавать на расстоянии нужные сведения. А теперь представьте на минуту, что начнется завтра, когда нанотехнологии позволят создать невидимую человеческому глазу подслушивающую и подглядывающую аппаратуру. Соответствующими организациями эта проблема воспринимается со всей серьёзностью. Это будет неслыханное нарушение основополагающих прав человека, посягательство на нашу свободу. Как избежать подобных ужасов? За ходом научных исследований внимательно следят работники по защите гражданских свобод и готовят соответствующие рекомендации для выработки законодательной базы использования нанотехнологий.

Вопрос: Как можно реализовать исследовательские идеи в будущем в коммерческий продукт?

Ответ: в энергетической промышленности – аккумуляторы смогут не только накапливать электрическую энергию, но и преобразовывать в нее свет или тепло. Солнечные батареи будут совмещаться с конструкционными материалами – в идеале дом обеспечат электричеством его стены и крыша. В ближайшие десять лет нанотехнологи готовят революцию в солнечной энергетике – резкое снижение цены при резком росте эффективности. Главный кандидат в фотовольтаики (преобразователи света в электроэнергию) следующего поколения – квантовые точки. Квантовая точка – полупроводниковый кристалл размером в несколько нанометров. Когда в квантовую точку попадает фотон, он освобождает до семи электронов (в кремнии, применяемом сегодня – только один). Многослойные фотовольтаики на квантовых точках могут в принципе достичь эффективности в 86%, хотя более осторожные теоретики предсказывают 40-45%, что тоже очень неплохо (сегодня этот показатель всего лишь 16% в массовом секторе). Тонкие пленки, насыщенные квантовыми точками будут гораздо дешевле и удобнее в использовании, чем нынешние солнечные батареи.

Ответ: (слайд 14) электроника тоже не будет стоять на месте. Очень вероятно, что вместо кремния в компьютерах будут применяться иные материалы – например, графен, углеродный слой из атомов, объединенных в шестиугольные ячейки. Но не исключено, что процессорный чип будет похож на лес из нанотрубок-транзисторов, а “выращивать” такие леса будут при помощи молекул ДНК.

Ответ: “Читалки” для электронных книг в виде тонкого пластикового листа формата А4 должны поступить в продажу в следующем году. Такие устройства будут просто печататься на пластике, вместе с процессором и дисплеем. Ну, а наномасштабов элементы пластиковой логики вполне могут достичь лет через 10. Тогда и мощный компьютер можно будет наклеить на стену в виде плаката или даже стикера.

Вопрос: Какие изменения внесут нанотехнологии в компьютерную индустрию?

Ответ: Нанотехнологии уже играют решающую роль в компьютерной индустрии. Знаменитый “закон Мура” лавинообразного роста числа транзисторов в процессорном чипе до сих пор обеспечивался тем, что каждые два года удавалось резко уменьшить размеры элементов интегральных схем: в 2007 году промышленность вышла на 45-нанометровый рубеж, в 2009-м за ним последует 32 нм, а в 2011-м – 22 нм. Однако следующий шаг, шестнадцать нанометров, будет, скорее всего, последним на пути к дальнейшей миниатюризации (для существующей технологии, основанной на полевых транзисторах). Сформировать транзистор в более тонком слое полупроводника очень сложно по фундаментальным физическим причинам. Именно здесь в игру должны вступить принципиально новые подходы – сейчас над ними работают специалисты крупнейших полупроводниковых компаний и лучших университетов мира.

Вопрос: Какие перспективные направления в нанотехнологии вы можете назвать?

Ответ: Одним из самых перспективных направлений в наноэлектронике сегодня считается применение нанопроводов (nanowires) – нитей из различных материалов, чья толщина достигает единиц нанометров. Вдоль нанопровода можно “растянуть” транзистор – предполагается, что такие транзисторы станут основой для гибких электронных схем, находящихся в “умной ткани”. Потребуется, конечно, надежная технология создания огромных массивов транзисторов на нанопроводах, и поразительно, что один из самых реалистичных путей к этому – сборка нанопроводов при помощи природных наномашин, молекул ДНК. На этом пути уже достигнуты обнадеживающие результаты.

Вопрос: Как развивается Российская наука в области нанотехнологии?

Ответ: В нашей стране нанотехнологии впервые были упомянуты в официальных документах в марте 2002 года. 18 ноября 2004 года Правительство РФ одобрило первую “Концепцию развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года”. Президент РФ 24 апреля 2007 года подписал Президентскую инициативу “Стратегия развития наноиндустрии”, а уже 19 июля того же года был принят федеральный закон о создании Российской корпорации нанотехнологий (РОСНАНО). В 2007 году государство выделило более 130 миллиардов рублей на обеспечение работы корпорации. Всего же на нанотехнологическое направление запланировано в федеральном бюджете около 180 миллиардов рублей – огромные средства, сопоставимые с полным объемом финансирования науки. Теперь важнейшая задача – создать условия для роста частных инвестиций в наноиндустрию. Государственная поддержка наноотрасли в Российской федерации продолжается. В начале 2008 года приняты две крупных программы – “Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года” и федеральная целевая программа “Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 — 2010 годы”. Большую роль играют нанонаука и нанотехнологии в принятой 27 февраля 2008 года правительством РФ “Программе фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2008 — 2012 годы”.

Ведущий подводит итоги проведённой конференции.

В течение урока обучающиеся составляют опорный конспект услышанного материала и по окончании сдают его преподавателю на проверку. Для следующих занятий можно предложить ребятам подготовить более подробные доклады на темы: история-“нанонаука”, биология-“нанонаука”, медицина-“нанонаука”, металлургия-“нанонаука” и т.д.