Миры, в которых мы живем

Интегрированный урок на заключительном этапе
обучения химии • 11 класс

Нанонаука и нанотехнология являются интегрированным направлением современных наук и технологий: физики, химии, биологии и их специализаций (биохимии, биофизики, атомной микроскопии), а также информационных технологий, биотехнологии, материаловедения. Следовательно, нанонаука носит междисциплинарный характер, а потому вполне логичным будет проведение на заключительном этапе обучения в старших классах интегрированных уроков, посвященных этому революционному направлению в современной науке.

Занятие по теме «Миры, в которых мы живем» рассчитано на 2–3 ч. Его могут провести совместно учителя химии, биологии, физики и информатики.

ХОД УРОКА

Границы миров

Учитель химии (вступительное слово). Человека всегда привлекали таинства запредельно больших расстояний и бесконечно малых величин. Трудно себе представить расстояние в несколько миллионов световых лет, осмыслить размеры галактик и Вселенной. Так уж устроен человеческий разум, что мы всегда задаемся вопросом, а что находится дальше, за той умозрительной границей, которую рисует воображение? Не менее интересно мысленно проникать в глубь материального мира. Мы уже знаем о сложности строения атома и элементарных частиц, его составляющих. Доказано, что и они, элементарные частицы, не такие уж элементарные. Протон, например, образован частицами, которые называют кварками и глюонами. А дальше?

Пытливость человечества и желание проникнуть в самые глубины мироздания заставляют тратить баснословные средства на научные исследования и проектные разработки, к примеру, на создание Большого адронного коллайдера, с помощью которого предполагается зафиксировать еще более мелкие «кирпичики» материи.

Проникновение в безгранично малые или необозримо большие миры – не простое любопытство. Человечество так и осталось бы на уровне первобытно-общинного развития, если бы не научилось использовать во благо научные знания и практический опыт, почерпнутый из познания этих миров.

Получается, что человек, живущий в своем мире, стремится проникнуть и познать устройство иных миров, существующих объективно, независимо от его воли: миры, в которых живет он сам, и миры, которые живут в нем.

Границы этих миров достаточно условны.

Мегамир – это мир, объекты которого имеют протяженность более 10 м, например Вселенная и один из ее объектов – планета Земля, диаметр которой составляет 12 660 км.

Макромир – это мир, объекты которого имеют длину от 10 м до 1 мм, например человек, рост которого в среднем составляет 1,7 м.

Микромир – это мир, объекты которого имеют размеры от 1 мм до 0,1 мкм (10^–7 м), например клетки большинства типов тканей человека имеют размер 10 мкм (10^–5 м), а эритроцит крови – 1 мкм.

Наномир – от 0,1 мкм до 1 нм (10^–9 м), например молекула ДНК имеет диаметр 1 нм.

Обращаясь к рис. 1, который может быть спроецирован на экран или интерактивную доску, учитель химии предлагает учащимся вспомнить объект русского народного творчества, построенный по такому же принципу. Учащиеся называют матрешку. Затем учитель химии ставит проблему: как увидеть различные миры – и передает слово учителю физики.

 

Как увидеть миры

Учитель физики. Мегамир, в силу больших размеров, не всегда можно разглядеть целиком. Можно увидеть отдельные горы, небольшие озера, фрагменты островов, лесов и рек, а земной шар можно рассмотреть лишь из космоса. Недаром в древности люди представляли себе Землю плоской.

Ассистент учителя физики (ученик) рассказывает о том, как в докосмическое время доказывалось, что Земля – шар: постепенное исчезновение корабля, уплывающего за линию горизонта, кругосветные путешествия, опыты с маятником Фуко и т.д.

Учитель физики. Другие объекты мегамира – нашей Вселенной – можно разглядеть с помощью оптических приборов, например телескопов.

Учитель биологии с помощью своего ассистента рассказывает о том, как правильно измерить основные показатели такого объекта макромира, как человек: массу, рост, жизненную емкость легких, пульс, давление, остроту зрения и др.

О том, как увидеть микромир, рассказывают учителя физики и биологии вместе со своими ассистентами.

Учитель физики рассказывает об эволюции оптических приборов (лупа, световой микроскоп), их устройстве и принципах работы.

Учитель биологии с помощью ассистентов показывает роль этих приборов в становлении и развитии клеточной теории (открытие клетки Р.Гуком, открытие клеточного строения растений М.Шлейденом, создание клеточной теории Т.Шванном). Этот фрагмент интегрированного урока сопровождается лабораторной работой по рассмотрению препаратов с образцами различных тканей и организмов клеточного строения.

Учитель физики. Однако более детальное изучение объектов микромира ограничивала закономерность, сформулированная Рэлеем как дифракционный предел разрешения, в соответствии с которым минимальные размеры рассматриваемого в оптические приборы объекта ограничены половиной длины волны света, используемого для освещения (поскольку самые короткие длины волн видимого света соответствуют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов составляет около 200 нм).

Учитель биологии. Дальнейшая детализация объектов микромира (установление структуры клеточной мембраны, органоидов растительной и животной клеток, обнаружение двойной спирали ДНК и т.д.) связана с созданием электронного микроскопа (передает слово ассистенту учителя физики).

Ассистент рассказывает об устройстве электронного микроскопа и особо обращает внимание на то, что этот микроскоп позволил значительно расширить возможности исследования веществ на микроскопическом уровне. В электронном микроскопе вместо света используются сами электроны, которые представляют собой волны более короткой длины. В качестве линз в таком микроскопе выступают электромагнитные поля соответствующей конфигурации, т.е. своеобразные электронные линзы.

О том, как увидеть наномир, учащимся рассказывает учитель физики с помощью ассистентов.

Учитель физики (знакомит учащихся с устройством и принципом работы сканирующих зондовых микроскопов). Микроскоп называется зондовым потому, что в роли своеобразного щупа или зонда выступает чрезвычайно тонкая игла. Такие микроскопы обладают по сравнению с обычными электронными более высокой разрешающей способностью. Так, они могут сканировать изображение профиля поверхности изучаемого объекта с точностью до размеров отдельных атомов.

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

Рассмотрим принцип действия СТМ (обращается к спроецированному на экран или интерактивную доску рис. 2, на котором приведена схема устройства и принципа работы СТМ).

Этот микроскоп назван туннельным потому, что в нем атомарная структура объекта изучается посредством отслеживания туннельного тока, протекающего между зондом и изучаемым участком поверхности. Зонд в СТМ должен находиться на расстоянии 1 мкм от исследуемой поверхности. Это является условием возникновения и поддержания туннельного тока, ибо при более малых расстояниях возникает сильный электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток становится ничтожно малым, что делает невозможным его фиксирование.

Что же понимается под туннельным током? Свое название этот ток берет от открытого Г.А.Гамовым туннельного эффекта. Этот эффект наблюдается при сближении атомов и сводится к тому, что электроны могут покидать электронные оболочки своих атомов, не обладая при этом достаточной энергией для преодоления электростатического притяжения к ядру. Такое явление возможно, если учесть двойственную природу электрона, который является одновременно и частицей, и волной. Именно волновые свойства электрона позволяют ему покинуть «родную оболочку» через своеобразный «туннель» в энергетическом барьере притяжения к ядру. Дидактической моделью к сказанному может служить фрагмент из знаменитого голливудского блокбастера Тимура Бекмамбетова «Особо опасен», в котором наглядно представлен процесс огибания пулей (аналогом электрона) препятствий (аналога энергетического барьера).

Если такое явление происходит для большого числа электронов, то и возникает туннельный ток. Поскольку в СТМ измеряется электрический ток, его можно применять только для исследования электропроводных объектов.

Для исследования диэлектриков используется АСМ, в котором измеряются силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности. (Учитель обращается к схеме устройства АСМ и объясняет принцип его действия (рис. 3).)

В АСМ зонд прикреплен к концу кронштейна (плоской пружины), и его положение определяется именно величиной сил межатомного взаимодействия.

Далее в качестве ассистента учителя физики выступает не ученик, а учитель химии. Он предлагает учащимся в качестве методической модели, позволяющей образно представить работу зондовых сканирующих микроскопов, выполнить следующий лабораторный опыт.

Ученикам предлагается распаковать пластинку жевательной резинки и с помощью указательного пальца (своеобразного зонда) исследовать поверхности упаковки жевательной резинки и ее содержимого: бумаги, фольги и самой резинки, – и сделать вывод об их относительной гладкости.

Учитель химии. Подобный принцип используется при изготовлении печатной продукции для слепых (демонстрирует образец книги, изготовленной с использованием метода Брайля). Тот же принцип лежит в основе работы обоих типов зондовых сканирующих микроскопов: как СТМ, так и АСМ.

Далее учитель химии или физики (по договоренности) сравнивает устройство и принцип действия этих микроскопов (таблица, см. с. 5).

Таблица

Сравнение сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов

После этого учитель химии делает своеобразный переход к следующему этапу урока. Он говорит о том, что в каждом мире, как и в каждом государстве, действуют свои собственные законы.

У каждого мира свои законы

Эту часть интегрированного урока проводят все учителя-предметники.

Учитель физики. В мега- и макромирах действуют законы классической физики. В микромире и наномире эти законы часто не соблюдаются, там «работают» свои, особые законы, основанные на принципах корпускулярно-волнового дуализма частиц этих миров. Например, закон Ома в этих мирах не действует, а «туннельный эффект», о котором говорилось выше, не может быть объяснен законами классической физики.

В современной науке возникло новое понятие, которое принято для обозначения крошечного объема вещества кубической или сферической формы, в котором можно хранить небольшое количество электронов. Оно называется квантовой точкой. Если в большинстве полупроводниковых устройств и приборов (например, в транзисторах) процессы включения и выключения («on-off») управляются потоком от сотен тысяч до одного миллиона электронов, то квантовые точки управляют движением малоэлектронных или даже одноэлектронных транзисторов. Это позволяет сделать полупроводниковые устройства микроскопически миниатюрными и снизить затраты энергопотребления в тысячи раз. Более подробно об этом расскажет в заключительной части урока учитель информатики.

Учитель химии. Геометрия или архитектура таких частиц наномира, как молекулы, обуславливает молекулярное распознавание – способность одной молекулы притягивать другую за счет электростатических сил. Молекулярное распознавание служит химической основой работы рецепторов органов чувств, в первую очередь вкуса и обоняния. Молекулярное распознавание также лежит в основе действия биологических катализаторов – ферментов.

Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью действия). Она позволяет организму быстро и точно выполнить четкую 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 соответственно) и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Недаром великий русский физиолог, Нобелевский лауреат И.П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.

Специфичность, или избирательность (селективность) ферментов столь велика, что их сравнивают с ключом, который подходит только к одному замку. Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют только на одну определенную и единственную реакцию. К таким ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относится, например, уреаза, разлагающая одно-единственное вещество – мочевину.

Демонстрационный эксперимент. В два химических стакана наливают по 50 мл раствора пероксида водорода. В первый бросают кусочек сырого картофеля, наблюдают выделение кислорода. Во второй стакан бросают кусочек вареного картофеля – выделения кислорода не происходит.

Учитель химии (поясняет). В сырых овощах, кусочках сырого мяса, капельке крови содержится фермент каталаза, катализирующий разложение пероксида водорода. Ферменты – органические катализаторы белковой природы, поэтому при нагревании, как любые другие белки, они подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.

Стоит отметить, что в наномире меняются физические свойства веществ (цвет, температура плавления). Например, золото в наномире вовсе не желтое, а красное, оранжевое, пурпурное или даже зеленое, в зависимости от размера его наночастиц. Очевидно, что первыми неосознанными нанотехнологами были древние гончары и средневековые стеклодувы. Первые оставили нам в наследство изумительные по цветовой гамме керамические изделия, а вторые – великолепные цветные витражи церквей и дворцов.

В наномире изменяются и химические свойства некоторых веществ. Например, наноскопическое серебро способно реагировать с соляной кислотой с выделением водорода:

2Ag + 2HCl = 2AgCl + H₂.

Такое необычное поведение веществ в наномире может иметь и значительное практическое применение. Например, в наномире возможен прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода(II) и водорода).

Ученые установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок обладает большой каталитической активностью. Они считают, что при сворачивании «графитового листа» из атомов углерода в трубочку концентрация электронов на ее внутренней поверхности становится меньше. Этим и объясняется способность внутренней поверхности нанотрубок ослаблять, например, связь между атомами кислорода и углерода в молекуле СО.

Чтобы объединить каталитическую способность углеродных нанотрубок и переходных металлов, наночастицы из них ввели внутрь нанотрубок (рис. 4). Оказалось, что этот нанокомплекс катализаторов способен запустить реакцию, о которой только мечтали – прямой синтез этилового спирта из синтез-газа, получаемого из натурального газа, угля и даже биомассы (рис. 5). Применение нанотрубок в качестве носителя катализатора определяется их химической устойчивостью и большой площадью поверхности.

 

Учитель биологии. Законы наномира обеспечивают такие биологические свойства живой материи, как хранение и передачу наследственной информации, ориентировку живых организмов в пространстве, поиски питания, тропизмы у растений. Именно молекулярное распознавание лежит в основе реакций матричного синтеза: редупликации ДНК, процессов биосинтеза белка (транскрипции и трансляции).

Содержание этой части урока предполагает активное включение учащихся в процессы повторения и обобщения предметных знаний, иллюстрирующих сформулированные учителями тезисы.

В заключении урока учитель химии предоставляет слово учителю информатики.

Компьютеры будущего

Учитель информатики. Важнейшим техническим достижением во второй половине двадцатого столетия является развитие электроники. В наши дни компьютеры пришли не только во все сферы функционирования человеческого общества (банки, почту, транспорт, производство, науку), но и в большинство семей и даже к отдельным ее членам. Причиной этого является то, что электронные приборы становятся все лучше и дешевле. Два этих фактора связаны между собой законами Мура. Первый закон гласит, что объем пространства, необходимый для установки транзистора на чип, сокращается вдвое примерно через каждые 1,5 года. Согласно этому закону ячейка компьютера, которая могла вместить один транзистор пятнадцать лет назад, теперь вмещает тысячу транзисторов. Второй закон утверждает, что стоимость постройки завода по изготовлению чипов удваивается с каждым их новым поколением, т.е. примерно через три года.

Существующие компьютеры перерабатывают информацию на основе классической физики, используя представления об одном бите информации (который соответствует переходу из состояния 0 в состояние 1 или наоборот). Уменьшение размеров компьютера до квантовых позволяет перерабатывать информацию на основе законов квантовой механики, используя представления об одном квантовом бите (его также называют кубитом), который позволяет осуществлять одновременно четыре логических операции (варианты: 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1, 1 + 1 = 2). Можно рассчитать, что 5 кубитов соответствуют числу 25 или 32 логическим операциям, а 10 кубитов – числу 210 или 1024 операциям. Эти возможности квантового компьютера позволяют ему работать с очень большими цифрами и с очень большими скоростями переработки информации. Такие компьютеры обладают поразительным быстродействием и огромным объемом памяти, способностью мгновенно записать, обработать и переслать информацию любого вида в цифровом формате. В данном формате работают электрические переключатели, действующие от поступления нескольких или даже одного-единственного электрона.

В заключение учитель химии просит учеников высказать свое мнение об этом уроке, отмечает работу своих ассистентов и активно участвующих в уроке учеников соответствующими оценками по предмету. Аналогично поступают и его коллеги.

* * *

В качестве методической рекомендации следует особо подчеркнуть, что учителя, ведущие такой урок, должны четко знать свои роли и выступать без сбоев, заминок и пауз. Мы убедились в этом на собственном опыте, когда проводили урок в школе № 531 г. Москвы и школе № 33 г. Энгельса Саратовской области.

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
С.А. СЛАДКОВ,
Е.Е. ОСТРОУМОВА