какое практическое значение имеет познание наномира

Какое практическое значение имеет познание наномира?

Необходимо разобраться, что же такое наномир. Частица нано- применяется для обозначения десятичных долей единицы. Соответственно в наномире существуют объекты размеры, которых определяются нанометрами (или миллиардная часть метра). Ещё до недавнего времени на слуху были успехи и достижения ученых на уровне микроэлектроники. Но в настоящее время наука шагнула далеко вперед и активно продолжает развиваться в сфере нанотехнологии и наноматериалов. Почему же это так важно? А дело в том, что познание человеком микроэлектроники подарило нам такие необходимые вещи как компьютеры, мобильные телефоны, спутники и другую технику, соотвественно сложно даже представить какие возможности откроются для ученых и изобретателей при освоении наномира.

Другие интересные вопросы и ответы

Иногда слышу “в десятичной части числа пи нет повторений”, что это значит? А как же точка Фейнмана, например?

Это значит, что количество знаков после запятой у числа пи бесконечно много и повторенных вариаций не существует. Фейнман же доказал, что есть некоторая закономерность повторения чисел. Понятия не имею, почему эта теория на заслуживает пристального изучения. Но нельзя исключать теорию, что этот набор чисел абсолютно хаотичен, а какие либо закономерности случайны…

Что означает точка на лбу у индусов?

Эта точка на лбу означает, что женщина исповедует индуизм и состоит в браке с мужчиной.

Какое значение имеет точка Фейнмана?

Каждую секунду сквозь человека пролетают триллионы нейтрино. Влияют ли они на процессы в мозгу? Взаимодействуют ли с электронами?

Судя по числам (“триллионы нейтрино”), речь в вопросе идёт о Солнечных нейтрино, которые распределены в интервале энергий 0,2 ÷ 20 МэВ. При таких маленьких энергиях нейтрино вообще не взаимодействует с атомами, входящими в состав человека (H, C, O). Но если бы человек состоял бы полностью из Хлора (³⁷Cl), то тогда был бы шанс реакции ³⁷Cl + νₑ ⟶ ³⁷Ar + e⁻ (Эксперимент Homestake в США) с частотой 8.1×10⁻³⁶/(атом⋅сек), что в пересчёте на человека (из Хлора) массой 70 кг, даёт одну такую реакцию за 3.5 лет. Энергия электрона при этом достаточно мала и вреда от него не будет, а радиоактивный Аргон (³⁷Ar), в среднем за 35 дней, превращается опять в Хлор (через К-захват атомного электрона) с излучением нейтрино.

Для того, чтобы взаимодействие нейтрино было “ощутимо” для человека, нейтрино нужно иметь энергию в 1000 раз больше. Такие нейтрино есть только в космических лучах (их называют астрофизическими) и еще, они образуются в атмосфере (из называют атмосферными) от взаимодействия первичных ядер (H, He, … Fe) космических лучей с ядрами (нуклонами) атомов, составляющих атмосферу. Потоки этих нейтрино (в основном мюонные нейтрино и антинейтрино) в миллионы раз меньше, чем Солнечных, и равны около 200 м⁻²⋅ сек⁻¹ ⋅ стер⁻¹. Эффективные энергии этих нейтрино равны

1 GeV, при которых сечение взаимодействия нейтрино с нуклоном равно

0.8×10⁻³⁸ см² (для антинейтрино меньше в

2 раза). Предполагая, что тело человека имеет внешнюю поверхность 1 м², состоит из воды, и траектория нейтрино в теле в среднем имеет длину 50 см (количество вещества при этом 50 г/см²), можно получить частоту взаимодействий атмосферных нейтрино в теле человека. Она оказывается равной около 2×10⁻¹¹ сек⁻¹ или одно взаимодействие нейтрино в нашем теле за 1700 лет.

Резюме: Мы не существуем как для Солнечных, так и для астрофизических и атмосферных нейтрино (и антинейтрино). Они просто нас не “видят”. Обидно конечно, но с другой стороны − здоровее будем.

Источник

Что могут принести нанотехнологии человечеству?

Вероятно, в последнее время многие слышали это модное ныне слово — нанотехнологии. Однако вряд ли кто-нибудь, употребляющий это слово в разговоре, сможет внятно объяснить, что это такое.

Многие прочат нанотехнологиям великое будущее. Многие всерьез опасаются их, предполагая, что нанотехнологии могут оказаться джинном, выпущенным из бутылки. Итак, что же это такое — нанотехнологии, и чем они могут помочь человечеству? Что они нам несут — светлое будущее или глобальную угрозу?

Что такое нанотехнологии?

Нанотехнологии смело можно назвать фантастикой, которая стала реальностью. Человечество научилось уже управлять атомами. Современные высокие технологии позволяют складывать из атомов различные устройства и механизмы, которые невозможно увидеть невооруженным глазом.

Наука, вобравшая в себя самые последние достижения в области изучения наномира, включающая в себя самые различные дисциплины, такие как биология, физика, химия и называется нанотехнологией.

Всем известно, что нанос в переводе с греческого означает слово «карлик». Нанометр (нм) — это ничтожно малая величина, составляющая одну миллиардную часть метра. Нанотехнологи работают с объектами, размеры которых находятся в диапазоне от 0,1 до 100 нм.

Нанотехнологии — первые шаги

Впервые, еще в 400 г. д.н.э., задумался о самых малых частицах, из которых состоит вещество, греческий философ Демокрит. Именно он ввел понятие атом, что означает нераскалываемый.

В 1905 году великий Эйнштейн высказал предположение, что размер молекулы сахара составляет 1 нанометр. В 1931 году немецкие физики создали электронный микроскоп, который, наконец-то, позволил увидеть человеку нано-объекты.

В 1974 году японский физик Норио Танигучи предлагает назвать механизмы размером менее одного микрона словом нанотехнологии. В 1981 году германские физики создали микроскоп, с помощью которого удалось рассмотреть отдельные атомы. В 1986 году футуролог Эрк Дрекслер публикует книгу, в которой предсказывает огромное будущее нанотехнологиям. С тех пор нанотехногии получили широкую общественную огласку.

В 1998 году голландский физик Сеез Деккер находит уже практическое применение нано-объектам. Он создает транзистор на основе нанотехнологий.

Как видим, как наука нанотехнологии развиваются очень стремительно. Трудно даже предположить, какие перспективы открываются перед человечеством благодаря нанотехнологиям.

Практическое применение

Нанотехнология в настоящее время еще не нашла широкого практического применения. Но смею вас уверить, это дело времени. В самом ближайшем будущем мы будем пользоваться вещами, изготовленными с помощью нанотехнологий. Уже сейчас можно говорить об изделиях, прошедших путь от лаборатории до завода.

Современные изделия, изготовленные с помощью нанотехнологий, имеют в своем составе углеродные нанотрубки, которые, в свою очередь, являются основой для других нанопродуктов, выпускаемых в настоящее время.

Что представляют собой углеродные нанотрубки? Они были открыты в 1991 году и представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной несколько сантиметров. Оказалось, что они обладают удивительными свойствами. Благодаря этим свойствам им было найдено множество применений. К примеру, их можно использовать в электронике, компьютерной индустрии, медицине и даже в промышленности.

Как можно применить нанотехнологии в медицине? Благодаря своим свойствам наноматериалы могут использоваться для замены тканей человека. Оказывается, клетки организма распознают такие материалы как свои. Даже сейчас достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, который может имитировать костную ткань.

Микроскопические размеры наноматериалов позволяют использовать их в качестве капсул, с помощью которых осуществляется доставка лекарственных средств в нужные места организма. Их можно использовать в качестве фильтра жидкостей организма от вредных веществ и вирусов. Сейчас большое распространение получают миниатюрные устройства, помещаемые внутрь организма для диагностики и лечебных целей.

Перспективы нанотехнологий

Немного из области фантастики.

В медицине планируется создание молекулярных роботов, которые могли бы лечить организм, находясь внутри него. А что? Очень удобно.

В промышленности: предметы потребления могут создаваться непосредственно из атомов и молекул. Посредством перемены мест атомов и молекул можно будет изготовить любой предмет!

В биологии возможно «внедрение» в различные организмы на уровне атомов. Что это нам даст? Восстановление вымерших видов животных и даже создание новых существ, «биороботов».

И, наконец, в геронтологии. Бессмертие станет возможным за счет внедрения в организм молекулярных роботов, которые будут очищать организм и устранять болезни еще в самом начале их зарождения.

Прогнозы на будущее

Как видим, в недалеком будущем нанотехнология может стать одной из ведущих отраслей современной науки. Перспективы — самые радужные. Некоторые рассматривают ее как панацею от всех бед, другие грозят бедами при неосторожном ее использовании.

Тем не менее нанотехнология — это уже настоящее. Остается только надеяться, что люди разумно распорядятся ее потенциалом и направят ее энергию во благо человечества.

Источник

Что такое наномир?

Дайте своё видение наномира.

Наномир – это условное название невидимой невооруженным глазом части реального мира. В нашей повседневной жизни мы не замечаем, что происходит рядом, в мире насекомых и бактерий, молекул и атомов. Однако и в наномире не прекращаются физические, химические и биологические явления, которые нередко имеют куда более бурную динамику, чем в нашем макромире.

Бесконечная сложность материального мира подсказывает простую мысль, что и у наномира есть свой наномир, в котором действуют еще более мелкие объекты.

Наномир, точнее микромир, начинается с величин порядка десять в минус десятой степени сантиметров. Это мир атомов и элементарных частиц, в котором действуют особые законы физики-квантовая неопределённость, нахождение частицы в двух местах сразу, корпускулярно-волновой дуализм.

24.08.06г в Праге,на ассамблее Международного астрономического союза Плутон лишили статуса планеты.

На ассамблее присутстввало более 2,5 тыс. астрономов.На заседании союза.Россия,Китай и Белоруссия открыто защищали Плутон,аргументируя свои доводы,что космическое тело движется согласно законам Кеплера,её настоящие размеры известны лишь виртуально.После многочисленных дебатов было вынесено решение председателем Астрономического Союза швейцарцем Расселом о тайном голосовании по статусу Плутона.Итог голосования 65%Плутон не планета и 35%,что это планета.Таким образом Плутон был «разжалован»

Эту новость я услышал в программе «Русской службы межд.китайского радио» ночью на работе.Ведущий программы китайский профессор,к/й ещё в школе изучал «Астрономию» по советским учебникам произнес фразу врезавшуюся в память:»Истина не может решаться голосованием»!

Недавно обратила внимание на одну историю, появившуюся в интернете: в один из частных домов влетела шаровая молния во время грозы. Так мало того, что у них было открыто окно во время грозы, еще и телефон мобильный заряжался, и телевизор, а также компьютер были включены. Все им пришлось восстанавливать. Вот зачем надеяться на «авось», если можно избежать таких проблем?

Сегодня способы получения энергии делятся на традиционные (ТЭС, ГЭС, АЭС), когда используется внутренняя энергия углеводородов, ядра или энергия воды и на альтернативные (СЭС, ВЭС, ГТЭС) где используются солнечная энергия, энергия ветра, приливов, подземная энергия. Но все они превращаются в удобную для передачи и использования электроэнергию.

Думаю в будущем возможно откроются и другие источники энергии (как биологические, химические, энергии космоса, гравитационная энергия) и еще неизвестные.

Кроме этого еще одно направлении это применение энергии в не электрической форме. Например использовании для отопления домов солнечной энергии, энергии океана и подземной энергии напрямую.

Или использование других форм двигателей (не электрических).

К примеру биотехнологии, когда бактерии создают еду без всяких потреблений электроэнергии или строительство подземных городов, где электричество понадобится только для освещения и для лифтов.

Также транспорт, движущийся за счет гравитации.

В общем все это должно привести к уменьшению потребления энергии.

В частности увеличатся тарифы на поставку электроэнергии.

Рост коснется потребителей электроэнергии в домах, в которых установлены газовые плиты.

Если счетчик энергии не разделен на временные зоны, тариф останется прежним (5,38 рублей за один киловатт-час).

Для двухзонных счетчиков повысится размер ночной ставки : с 1,64 до 1,79 рублей за один киловатт-час. Дневной тариф останется без изменений (6,16 рублей за один киловатт-час).

Для трехзонных счетчиков тарифы вырастут по каждой зоне: тариф пикового времени вырастет с 6,41 до 6,46 рублей за один киловатт-час, тариф полупикового времени вырастет с 5,32 до 5,38 рублей за один киловатт-час, ночной тариф увеличится с 1,64 до 1,79 рублей за один киловатт-час.

Для потребителей, у которых в домах установлены электроплиты, новый тариф составит:

Одноставочный тариф вырастет с 3,77 до 4,04 рублей за один киловатт-час.

Для трехзонного счетчика тарифы вырастут:

Источник

Недаром в древности люди представляли себе Землю плоской. В докосмическое время доказательствами того, что Земля имеет форму шара, служили следующие наблюдения: постепенное исчезновение корабля, уплывающего за линию горизонта, кругосветные плавания и т. д.

Основными приборами, с помощью которых изучают Вселенную, являются телескопы разных типов, с которыми вы познакомитесь в следующей главе учебника.

Некоторые объекты макромира можно наблюдать непосредственно и проводить различные их исследования. Например, измерять вес, рост, пульс, давление, остроту зрения человека или животного и т. п. Изучение более мелких объектов макромира неразрывно связано с усовершенствованием оптических приборов, которые сыграли большую роль в развитии, например, клеточной теории. В 1665 г., изучая срез пробки, Р. Гук (1635–1703) обнаружил структуры, похожие на соты, и назвал их клетками. А. Левенгук (1632–1723) усовершенствовал микроскоп и смог наблюдать живые клетки с увеличением более чем в 200 раз. В 1831–1833 гг. Р. Брбун (1773–1858) обнаружил в растительных клетках ядро. Проанализировав все существующие на тот момент знания о клеточном строении живой природы, в том числе труды ботаника М. Я. Шлейдена (1804–1831), в 1838 г. Т. Шванн (1810–1882) сформулировал основные положения клеточной теории. Однако более детальное изучение объектов микромира с помощью оптических микроскопов ограничено тем, что они имеют определённый предел разрешения, т. е. возможность увидеть по отдельности мелкие объекты или их части.

Английский физик Дж. У. Рэлей (1842–1919) доказал, что предел разрешения микроскопа, ограничивающий минимальные размеры рассматриваемого объекта, равен

длины световой волны. Поскольку самые короткие длины волн видимого света составляют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов – около 200 нм.

Изучение объектов микро– и наномира

Исследование объектов микромира (структуры клеточной мембраны, органоидов растительной и животной клеток, двойной спирали ДНК и т. п.) связано с созданием электронного микроскопа. Он позволил значительно расширить возможности исследования веществ на микроскопическом уровне. В электронном микроскопе вместо света используются такие же, как в обычном телевизоре, пучки электронов, ускоренные электрическим полем до больших энергий. В качестве линз выступают электромагнитные поля соответствующей конфигурации, т. е. своеобразные электронные линзы. Магнитное и электрическое поля изменяют движение потока электронов, что делает возможной фокусировку электронных лучей (в оптическом микроскопе фокусируются световые лучи).

Изображение, подобное телевизионному, наблюдают на экране, покрытом специальным составом, который светится при попадании на него потока электронов, либо фиксируют на фотопластинке.

Увидеть объекты наномира можно с помощью сканирующих зондовых микроскопов. Зондовыми они называются потому, что в роли своеобразного щупа, или зонда, выступает чрезвычайно тонкая игла.

Рис. 20. Схема устройства и работы сканирующего туннельного микроскопа: 1 – образец; 2 – остриё иглы; 3– СТМ-изображение после компьютерной обработки; 4 – регулировка цепи обратной связи

Такие микроскопы обладают по сравнению с обычными электронными более высокой разрешающей способностью. Так, они могут сканировать профиль поверхности изучаемого объекта с точностью до отдельных атомов.

Различают два основных типа сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).

Рассмотрим принцип действия СТМ (рис. 20).

Металлическая игла подводится к образцу на расстояние не скольких десятков нанометров. При таком сближении некоторые электроны, не обладающие достаточной энергией для преодоления электростатического притяжения к ядру, могут покидать электронные оболочки своих атомов. Это возможно из-за двойственной природы электрона, который является одновременно и частицей, и волной. Именно волновые свойства электрона позволяют ему покинуть «родную оболочку» через «туннель» в энергетическом барьере притяжения к ядру. (Своеобразной моделью к сказанному может служить фрагмент из голливудского блокбастера Бекмамбетова «Особо опасен», в котором наглядно представлен процесс огибания пулей (аналога электрона) препятствия (аналога энергетического барьера).)

Рис. 21. Схема устройства и работы атомно-силового микроскопа

При подаче на иглу относительно небольшого напряжения возникает так называемый туннельный ток.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, сила туннельного тока меняется в зависимости от формы поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта поверхности (см. рис. 20).

В каждом мире, как и в каждом государстве, действуют свои собственные законы. Мега– и макромиры подчиняются законам классической физики. Однако «туннельный эффект», о котором говорилось выше, не может быть объяснён этими законами. В микромире «работают» свои, особые законы, основанные на принципах корпускулярно-волнового дуализма частиц.

Другой «инструмент» для исследования, например, диэлектриков, – это атомно-силовой микроскоп (АСМ). В нём измеряются силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности. В АСМ зонд прикреплён к концу кронштейна (плоской пружины) и его положение определяется именно величиной сил межатомного взаимодействия (рис. 21).

Своеобразной моделью принципа работы АСМ является чтение слепыми специальных печатных изданий, изготовленных на основе метода Брайля. Проводя по строчкам таких изданий, слепые люди осязают выпуклые буквы текста рецепторами пальцев – «читают» его.

Молекулярное распознавание и изменяющиеся свойства веществ в наномире

Геометрия, или архитектура, молекул обусловливает молекулярное распознавание.

Молекулярное распознавание – это способность одной молекулы притягивать другую молекулу, соответствующую первой структурно и энергетически, за счёт электростатических сил.

Молекулярное распознавание служит химической основой для работы рецепторов органов чувств, в первую очередь вкуса и обоняния. Действие биологических катализаторов белковой природы – ферментов также основано на молекулярном распознавании. Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью). Она позволяет организму быстро и точно выполнить чёткую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул пищевых веществ или продуктов их превращения. Располагая богатым набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов – мономеров (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов) и заново строит из них белковые и другие молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям организма. Недаром великий русский физиолог И. П. Павлов (1849–1936) назвал ферменты носителями жизни. Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют на определённую, единственную реакцию. К таким абсолютно специфичным ферментам относится, например, уреаза, разлагающая одно-единственное вещество – мочевину.

В сырых овощах, сыром мясе, в крови содержится фермент каталаза, с помощью которого происходит разложение пероксида водорода:

А поскольку ферменты – катализаторы белковой природы, они, как и любые белки, подвергаются денатурации (изменению природной структуры) и теряют каталитическую активность.

В два химических стакана налейте по 3–5 мл раствора пероксида водорода. В первый стакан опустите кусочек сырого картофеля, во второй – кусочек варёного картофеля. Что вы наблюдаете в том и другом стакане?

В наномире меняются физические свойства веществ – цвет, температура плавления, там действуют другие законы. Например, с по-мощью электронного сканирующего микроскопа можно увидеть изменение цвета коллоидных растворов золота (рис. 22). Коллоидные (микроскопические) частицы обычно состоят из большого числа молекул и ионов.

Рис. 22. Изменение цвета у частиц золота в зависимости от их размера

Первыми «нанотехнологами» были древние гончары и средневековые стеклодувы. Они оставили нам в наследство изумительные по цветовой гамме керамические изделия и великолепные цветные витражи церквей и дворцов.

В наномире изменяются и химические свойства некоторых веществ. Например, наночастицы серебра способны реагировать с соляной кислотой с выделением водорода:

2Ag + 2HCl = 2AgCl + H

Одной из главных причин изменения химических и физических свойств вещества в наномире является увеличение числа атомов, находящихся на поверхности наночастицы, поэтому их химическая активность очень велика.

Такое необычное поведение веществ в наномире может иметь практическое применение – например, в хранении и передаче наследственной информации, в ориентировке живых организмов в пространстве, поисках питания, в тропизме (движении) у растений. Именно молекулярное распознавание лежит в основе реакций матричного синтеза – самоудвоения молекул ДНК и процессов биосинтеза белка.

? что мир многообразен: выделяют мега– и макромир, микро– и наномир

? как изучают объекты мега-, макромира, микро– и наномира

? что такое молекулярное распознавание

? привести примеры объектов мега-, макро-, микро– и наномира и способы их изучения

? проиллюстрировать на примерах, как усовершенствовались на протяжении веков оптические приборы, аппараты, механизмы, помогающие людям в изучении мира

? объяснить, чем микромир отличается от наномира и что необычного происходит с законами физики, химии, биологии в наномире

1. Назовите миры, которые различают в естествознании, приведите примеры объектов каждого мира.

2. Докажите, что наномир – особый мир.

3. Объясните, что такое молекулярное распознавание и какое значение оно имеет для живой природы.

4. Как соблюдаются закономерности химической, биологической и физической наук в макро– и микромирах?

5. Какое практическое значение имеет познание наномира?

6. Сравните принципы работы современных микроскопов (СТМ и АСМ).

Темы для рефератов

1. Современные открытия в астрономии, которые произвели сенсации в естествознании. 2. Атомный силовой и сканирующий туннельный микроскопы: принципы работы. 3. Наномир, его особенности и перспективы.

1. Наблюдение за горящей свечой

Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания…

Цель работы: наблюдать за горением свечи, распознавать физические явления, происходящие при этом, фиксировать результаты наблюдения.

Оборудование и реактивы: свеча, спички, тигельные щипцы, фарфоровая чашка, резиновая груша, стеклянная трубка с оттянутым концом, штатив, пробирки, два зеркала, транспортир, скотч, известковая вода.

Физические явления при горении свечи. Зажгите свечу. Обратите внимание на то, что парафин вокруг фитиля начинает образовывать небольшую лужицу. Сделайте вывод о том, какое явление происходит.

Возьмите изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. Один её конец поместите в среднюю часть пламени, а другой опустите в пробирку с известковой водой. Что наблюдаете? Объясните происходящие явления.

Обнаружение продуктов горения парафина. Внесите фарфоровую чашку в светящуюся зону пламени свечи и подержите её там несколько секунд. Посмотрите на поверхность чашки. Объясните происходящие явления.

Сухую, желательно охлаждённую (но не запотевшую) пробирку закрепите в держателе горлышком вниз и немного наклонно и подержите над пламенем свечи до запотевания. Сделайте вывод о причинах наблюдаемого явления.

В стакан поместите свечу, подожгите её с помощью лучины. Через 2–3 минуты выньте свечу, налейте в стакан 2–3 мл известковой воды и встряхните. Что наблюдаете? Объясните происходящее явление.

Влияние воздуха на горение свечи. Вставьте стеклянную трубку с оттянутым концом в резиновую грушу. Сжимая грушу рукой, вдуйте в пламя горящей свечи воздух. Как изменилась яркость пламени? Почему?

Прикрепите две свечи при помощи расплавленного парафина к картону или фанере. Зажгите их и накройте химическими стаканами различного объёма (например, литровым и пол-литровым). В каком случае свеча горит дольше? Почему?

Многократное отражение свечи. Скрепите скотчем с обратной стороны два зеркала так, чтобы они образовали угол. Поставьте зажжённую свечу в центр транспортира (рис. 23), а зеркала на транспортире так, чтобы они образовали угол 180°. Сколько отражений свечи вы наблюдаете? Несколько раз уменьшайте угол между зеркалами. Запишите, как изменяется количество отражений свечи.

Источник