Химическая технология – Биотехнология – Нанотехнология

Урок-семинар • 11 класс

Этот семинар, рассчитанный на 2 ч в непрофильных по отношению к химии классах, на 3 ч в общеобразовательных классах и на 4–5 часов в классах естественно-научного профиля, проводится как обобщающий в заключении школьного курса и ставит своей задачей показать учащимся роль химии как производительной силы общества.

П л а н   с е м и н а р а

1. Химическая технология (определение, история возникновения и развития, роль в современном производстве, классификация процессов химического производства, задачи).

2. Биотехнология (определение, этапы становления, направления биотехнологии, области применения).

3. Нанотехнология (определение, подходы в нанотехнологии и их характеристика, наноматериалы, области применения).

Учитель (вступительное слово). Современный мир характеризуется стремительным развитием научно-технического прогресса. Помимо совершенствующейся традиционной химической технологии, бурно развиваются такие направления науки и отрасли промышленности, которые еще совсем недавно воспринимались как экзотические: биотехнология и нанотехнология. Они приобретают все большую роль в различных сферах жизни каждого человека в отдельности и общества в целом: в быту (вряд ли найдется человек, который не слышал о ГМО – генно-модифицированных организмах), в экономике, промышленности и сельском хозяйстве (подсчитано, что к 2015 г. товары и услуги, произведенные на основе нанотехнологий, будут стоить не один триллион долларов), в международных отношениях (началась мировая гонка за лидерство в области нанотехнологий, в ней сегодня преуспевают США, Япония и Китай). Россия только недавно включилась в эту гонку – принята приоритетная национальная программа по развитию нанотехнологий, на которую правительство выделяет значительные средства. Понятно, что эта область науки и производства потребует подготовки специалистов высокого класса. Очевидно, что их подготовка будет вестись на специально созданных отделениях и факультетах ведущих российских университетов. Также очевидно, что первое знакомство с био- и нанотехнологиями вам должна дать химия.

Однако начнем с химической технологии.

Химическая технология

Конспект содержания выступлений учащихся, готовившихся по этому вопросу семинара, может быть следующим.

1-й ученик. Технология – это наука о производстве. Химическая технология – один из важнейших разделов технологии, под которым понимают науку о наиболее экономичных методах и средствах переработки природного сырья в продукты потребления и промежуточные продукты для других отраслей материального производства.

Рассмотрим кратко историю возникновения и развития химической технологии. Сначала она была описательным разделом прикладной химии. Затем, в первой половине ХIХ в., химическая технология стала отдельной отраслью знаний. В 1803 г. в Российской академии наук создается кафедра химической технологии. Окончательно химическая технология становится самостоятельной научной дисциплиной в начале ХХ в., когда было разработано учение об основных процессах и аппаратах химического производства и общих закономерностях химико-технологических процессов.

Новым этапом в становлении химической технологии явилось использование в конце 60-х гг. ХХ в. идей, методов и технических средств кибернетики в химическом производстве, в результате развития которых появились математическое моделирование и компьютерные технологии для оптимизации и автоматизации химических процессов.

Второй учащийся, приготовивший сообщение о роли химической технологии как научно-производственной базы важнейших отраслей промышленности, раскрывает ее, используя схему 1.

Схема 1

Двое других учащихся рассказывают о классификации процессов химического производства. Их сообщение сопровождается демонстрацией моделей этих процессов, использующихся при изучении химии.

3-й ученик. Все многообразие процессов химического производства сводится к 5-ти группам.

1. Механические – измельчение, грохочение*, гранулирование, таблетирование, транспортирование твердых материалов, упаковка. (Демонстрация видеофрагментов и образцов продуктов этой группы химических процессов (гранул, таблеток, образцов упаковок и др.).)

2. Гидродинамические – перемещение жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, пневматический транспорт, флотация, центрифугирование, осаждение, декантация, перемешивание. (Демонстрация видеофрагментов конкретных химических производств, действия центрифуги (учитель акцентирует внимание учащихся, что этот процесс широко используется и в бытовой технике – стиральных машинах, сепараторах и т.д.), флотации порошка серы, осаждение примесей, содержащихся в воде, с помощью коагулянтов, декантации раствора с отстоявшегося известкового молока, перемешивания растворов с помощью стеклянных палочек, снабженных резиновым наконечником (учитель просит привести примеры перемешивания, знакомые учащимся из бытовой практики).)

4-й ученик (продолжает классификацию процессов химического производства).

3. Тепловые – испарение, конденсация, нагревание, охлаждение, выпаривание. (Демонстрация видеофрагментов конкретных химических производств и лабораторных установок, а также: дистилляции воды в дистилляторе или самодельной установке, выпаривание раствора поваренной соли.)

4. Диффузионные – абсорбция, адсорбция, дистилляция, ректификация, сушка, кристаллизация, сублимация, экстрагирование, фильтрование, ионообмен. (Демонстрация видеофрагментов конкретных химических производств и лабораторных установок, оборудования и приборов (установки для фильтрования, муфельной печи, кристаллизатора, ионообменников, в том числе и бытовых ионообменных фильтров для воды), а также: абсорбции на примере растворения хлороводорода или аммиака в воде («фонтан в колбе»), адсорбции активированным углем красителя из раствора, экстрагирования хлорофилла этиловым спиртом.)

5. Химические, в основу которых положено химическое превращение исходного сырья.

Эту группу технологических процессов химического производства раскрывают также два ученика.

5-й ученик. Химические процессы можно классифицировать по различным признакам.

• По сырью: минеральное, животное, а также переработка угля, нефти, газа. (учителю будет уместно попросить учащихся вспомнить коксохимическое производство и основные направления переработки нефти, природного и попутного газов.)

• По потребительскому или товарному признаку: производство красителей, удобрений, лекарств и т.д. (учитель просит учащихся вспомнить классификацию и производство важнейших минеральных удобрений.)

• По группам периодической системы: получение щелочных и щелочно-земельных металлов, алюминия и др. (учитель просит учащихся вспомнить электролитическое получение щелочных и щелочно-земельных металлов и алюминия.)

6-й ученик. Химические процессы классифицируют также по следующим признакам.

• По типам химических реакций: окисление, восстановление, гидрирование, хлорирование, полимеризация и т.д. (учитель просит учащихся вспомнить и привести примеры соответствующих реакций.)

• По фазе: гомогенные (жидкофазные и газофазные), гетерогенные. (учитель просит учащихся вспомнить и привести примеры соответствующих процессов.)

Учитель (резюмирует). Современная химическая технология ставит задачи комплексного использования сырья и энергетики, комбинирования и кооперирования различных производств, непрерывности технологических процессов на производстве, экологической безопасности и экономической целесообразности.

Однако следует подчеркнуть, что современное производство веществ и материалов нередко обращается к помощи живых организмов и биологических процессов, т.е. к биотехнологии.

Биотехнология

Конспект содержания выступлений учащихся, готовившихся по этому вопросу семинара, может быть следующим.

7-й ученик (дает определение и рассказывает об истории возникновения и развития биотехнологии). Биотехнология – один из важнейших разделов технологии, под которым понимают науку об использовании живых организмов и биологических процессов в производстве.

Можно выделить три этапа становления этой науки и отрасли производства: ранняя, или стихийная, биотехнология, новая биотехнология и новейшая биотехнология.

Ранняя, или стихийная, биотехнология связана со знакомыми человеку с древнейших времен микробиологическими процессами брожения, лежащими в основе: хлебопечения, виноделия, пивоварения, сыроварения, получения кисломолочной продукции, квашения, получения льняного волокна и др.

В основе процессов стихийной биотехнологии лежит деятельность микроорганизмов и ферментов, которые сохраняют свою биологическую активность в определенных условиях и вне живой клетки. (Учащийся сопровождает эту часть своего сообщения демонстрацией коллекции продуктов питания, изготовленных этим путем (бутылка вина, кусок хлеба и сыра и др.).)

Новая биотехнология связана с введением в науку термина «биотехнология» с середины 70-х гг. ХХ в. и использованием биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка), производства ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов, витаминов и др.), для защиты растений от вредителей и болезней. (Демонстрация образцов биотехнологической продукции.) На основе микробиологического синтеза были разработаны промышленные методы получения белков и аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок.

Новейшая биотехнология связана не только с развитием многообразного микробиологического синтеза, но, в первую очередь, с возникновением и развитием генной инженерии, клеточной инженерии и биологической инженерии. Достижения новейшей биотехнологии базируются на интеграции таких биологических дисциплин, как микробиология, биохимия, биофизика, молекулярная генетика и иммунология.

8-й ученик (рассказывает о генной инженерии). Генная инженерия – это раздел биотехнологии, связанный с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе, сочетаний генов, внедренных в живые клетки, способные синтезировать определенный продукт.

Сконструированные генными инженерами сочетания генов функционируют в клетке-реципиенте и синтезируют необходимый белок. Особый практический интерес представляет введение в геном животных и растений различных генных конструкций: как синтезированных, так и генов других животных, растений и человека. Такие растения и животные называются генетически измененными, а продукты их переработки – трансгенными продуктами. Трансгенная кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки; модифицированная соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, вареных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания. (Демонстрация коллекции пищевых продуктов, содержащих генно-модифицированные организмы (ГМО), и этикеток с их маркировкой.)

Генетическая модификация растений позволяет создать сорта растений с высоким уровнем устойчивости к сорнякам и вредителям. Это в несколько раз уменьшает расход гербицидов, ослабляя тем самым химическую нагрузку на окружающую среду. Сейчас за рубежом высеваются устойчивые к гербицидам трансгенные сорта хлопчатника, рапса, сои, кукурузы, сахарной свеклы.

В сельскохозяйственную практику входят трансгенные сорта с повышенными потребительскими свойствами, например, культуры гороха, сои, злаков с улучшенным составом белков. Созданы трансгенные помидоры без зернышек и на подходе бескосточковые черешня, арбуз, цитрусовые.

Методами генной инженерии в Канаде получен виноград, которому пересадили ген морозоустойчивости от дикой капусты, и в этой стране впервые появились виноградники.

В животноводстве с помощью генной инженерии получены высокопродуктивные породы животных (овец, свиней, кур и др.).

В фармакологии методы генной инженерии дали возможность создать высокоэффективные вакцины против герпеса, туберкулеза, холеры; в химической отрасли промышленности – новые формы дрожжей и бактерий, способных уничтожать разливы нефти.

9-й ученик (рассказывает о клеточной инженерии). Клеточная инженерия – метод конструирования клеток нового типа.

Культура клеток позволяет сохранять их жизнеспособность вне организма в искусственно созданных условиях жидкой или плотной питательной среды. Такие клоны клеток используют в качестве своеобразных фабрик для производства биологически активных веществ, например гормона эритропоэтина, стимулирующего образование красных кровяных телец. Методами клеточной инженерии получены факторы свертываемости крови (III и VIII) – для лечения гемофилии, инсулин – для лечения диабета, поверхностный белок вируса гепатита В – для получения соответствующей вакцины.

Наиболее известный обывателю феномен клеточной инженерии – клонирование живых организмов (вспомните знаменитую овечку Долли). Выведенные академиком В.?А.?Струнниковым клоны шелкопряда известны на весь мир.

Наиболее перспективным направлением сегодня является клонирование в области экспериментальной эмбриологии, успехи которой связаны, в первую очередь, с так называемыми эмбриональными стволовыми клетками. Самым главным свойством таких клеток является то, что генетическая информация, заключенная в их ядрах, находится как бы в состоянии покоя, т.е. в эмбриональных стволовых клетках еще не запущена программа дифференциации в ту или иную ткань. Они могут принять любую программу и превратиться в один из 150 возможных типов зародышевых клеток. Эмбриональные клетки лишь ждут специального сигнала, чтобы начать одно из своих превращений. Эта удивительная их способность продиктована избытком в клетке РНК всех генов, отвечающих за рост зародыша на ранней стадии развития эмбриона. Факторы, делающие эмбриональные клетки уникальными, позволяют использовать их для выращивания огромного массива тканей и любого человеческого органа. Следует отметить, что островки эмбриональных стволовых клеток имеются в различных органах и тканях. Именно эти клетки и дают возможность восстанавливать поврежденные органы и ткани и лечить множество тяжелых заболеваний. Однако необходимо отметить, что опыты по клонированию человека и выращиванию стволовых клеток эмбриона человека во многих странах запрещены.

10-й ученик (рассказывает о биологической инженерии). Биологическая инженерия – методы использования микроорганизмов в качестве биореакторов для получения промышленной продукции.

Этот раздел биотехнологии особенно важен для России, живущей, к сожалению, в основном за счет продажи ресурсов. Средняя отдача нефтяных месторождений у нас не превышает 50%. Компания «Татнефть», используя новую уникальную микробиологическую технологию регулирования микрофлоры нефтяных пластов, получила дополнительно около полумиллиона тонн нефти на месторождениях Башкирии.

Микробиологические технологии эффективны для получения цветных и черных металлов. Традиционная технология, основанная на обжиге, приводит к тому, что в атмосферу выбрасывается большое количество оксидов серы и азота, которые служат основой «кислотных дождей». Этих недостатков лишена технология, основанная на биологической инженерии. В Красноярском крае, например, работают восемь микробиологических ферментеров, позволяющих добывать золото из пород с низким содержанием этого металла. Современный мир, испытывающий острый дефицит меди, молибдена и других цветных металлов, с надеждой ждет разрешения его с помощью микробиологических методов.

Стоит отметить законченную в Институте микробиологии РАН работу над новым способом снижения концентрации метана в шахтах с использованием метанотрофных бактерий. Стоит ли говорить об актуальности этой работы на фоне нередких сообщений средств массовой информации о трагедиях на угольных шахтах.

Наиболее перспективным направлением биологической инженерии является создание иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованными ферментами называются препараты ферментов, молекулы которых ковалентно связаны с полимерным носителем, нерастворимым в воде. Такие ферменты эффективны для применения в различных сферах народного хозяйства. Так, получаемая из дрожжей инвертаза может использоваться для производства искусственного меда; лактаза – для получения диетического молока с низким содержанием лактозы и глюкозо-галактозных спиртов из молочной сыворотки; уреаза – для очистки крови в аппарате «искусственная почка».

Разработаны иммобилизованные формы бактериальных протеаз, которые применяются для получения белковых гидролизатов и смесей аминокислот для зондового и внутривенного питания в медицинской практике. Для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы, который можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов. Перспективно использование иммобилизованных ферментов для аналитических целей (в виде ферментных электродов).

Нанотехнология

11-й ученик (дает определение нанотехнологии и рассказывает о двух подходах, существующих в ней, выступление сопровождается компьютерной презентацией). Под нанотехнологией понимается управляемый синтез молекулярных структур для получения веществ и материалов не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью специальных аппаратов, действующих на основе искусственного интеллекта.

Название новой науки образовалось в результате прибавления к слову «технология» приставки «нано», которая обозначает уменьшение масштаба измерений в миллиард раз: 1 нанометр (1 нм) составляет одну миллионную от миллиметра, т.е. 1 нм = 10^–9 м. Для того чтобы образно представить эту величину, используем следующее сравнение: 1 нм примерно в миллион раз меньше толщины страницы школьного учебника. Десять атомов водорода, расположенных в один ряд, имеют длину 1 нм, и, что удивительно, молекула ДНК человека имеет диаметр ровно 1 нм.

К нанотехнологиям относят процессы манипулирования объектами, имеющими размер от 1 до 100 нм.

В нанотехнологии вообще существуют только два подхода. Их принято условно называть «сверху вниз» и «снизу вверх».

Первый подход – «сверху вниз» основан на уменьшении размеров обрабатываемого сырья или материалов до микроскопических параметров. Так, например, получают полупроводниковые устройства, обрабатывая заготовки для них лазерными или рентгеновскими лучами. Эти лучи, проходя через трафарет, создают на исходном материале необходимую структуру чипа. Такой способ нанотехнологии называется фотолитографией (литография – это получение на материале оттиска изображения, вырезанного на камне). Аналогом его может служить нанесение рисунков или надписей на футболки. Разновидностью данного способа в наномире является импринт-литография. В этом случае на резиноподобный силикагельный полимер наносят узор с помощью зондовых инструментов, который затем покрывается своеобразными молекулярными чернилами. Оттиски такой «резиновой печати» можно делать на любой поверхности (например, для получения компьютерных чипов наноскопических размеров).

В результате получается запланированная конфигурация схемы. Разрешающая способность таких чипов (минимальный размер его элементов) определяется длиной волны лазера. Таким образом получают схемы с размером элементов до 100 нм. Следовательно, этот подход позволяет получать наиболее крупные материалы и устройства наномира.

Второй подход нанотехнологии – «снизу вверх» состоит в том, что необходимая конструкция осуществляется сборкой из элементов низшего порядка (атомов, молекул, кластеров и т.д.). Для этого типа нанотехнологий применяются инструменты зондового сканирования. Они могут двигать атомы или молекулы по поверхности подложки, толкая или поднимая их. В этом случае зонд сканирующего инструмента выступает в роли своеобразного экскаватора или бульдозера наномира.

Основными способами такого подхода в нанотехнологиях являются: молекулярный синтез, самосборка, наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация.

Молекулярный синтез заключается в создании молекул с заранее заданными свойствами путем их сборки из молекулярных фрагментов или атомов. Таким образом производятся медикаменты. Множество современных лекарств, включая антибиотики нового поколения или знаменитую виагру, являются продуктами молекулярного синтеза. Молекулярный наноскопический синтез решает и вопросы упаковки таких лекарств в особые молекулярные оболочки, позволяющие доставлять эти лекарства непосредственно в пораженные участки организма.

Самосборка – это такой метод нанотехнологий, который основан на способности атомов или молекул самостоятельно собираться в более сложные молекулярные структуры.

Принцип самосборки основан на принципе минимума энергии – постоянном стремлении атомов и молекул перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, то исходные молекулы соединятся; если же для этого нужно изменить свое положение в пространстве, то они переориентируются.

Своеобразной моделью к иллюстрации принципа наименьшей энергии может служить древнегреческий миф о Сизифе, который с трудом поднимал камень на вершину горы, а тот упорно стремился скатиться по склону, т.е. занять наименьший уровень энергии.

Другой моделью, позволяющей наглядно представить самосборку, основанную на ориентации молекул в пространстве, является поведение компаса, который можно трясти, поворачивать, но стрелка его неизменно будет показывать на север, минимизируя энергию прикрепленного к ней небольшого магнита относительно поля Земли. Чтобы добиться такого положения, над стрелкой не нужно совершать никакой работы, она делает это естественно. Методы самосборки основаны на идее создания наноскопического сырья из атомов и молекул, которые, подобно стрелке компаса, естественно собираются в структуры необходимого материала.

В живых организмах самосборка является основой процессов ассимиляции, т.е. процессов синтеза белков, жиров, углеводов, полинуклеотидов, необходимых конкретному живому организму. Структурирование и сборка биологических тканей происходят на атомно-молекулярном уровне, причем живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Наносинтезу о таком приходится только мечтать. Тем не менее, наноконструкторы вводят определенные атомы или молекулы на поверхность подложки или на ранее собранную наноструктуру. Далее молекулы исходного наносырья ориентируются в пространстве, собираясь в определенную наноструктуру. Отпадает необходимость медленного и нудного конструирования такой структуры с помощью зондового инструмента. В этом и состоит преимущество самосборки.

В настоящее время с помощью самосборки возможно создание компьютерных запоминающих устройств. Она также может использоваться для защиты поверхности от коррозии или придания ей особых свойств, например, как у тефлона, применяемого для изготовления посуды. С помощью самосборки изготовлены опытные образцы гидрофильного и гидрофобного стекол, которые могут найти широкое применение, например, в автомобилестроении, производстве строительных стекол, в оптике.

Наноскопическое выращивание кристаллов – это такой метод нанотехнологий, при котором кристаллы можно выращивать из раствора, используя кристаллы-зародыши (центры кристаллизации).

Кремниевые блоки, используемые для создания микрочипов, производятся именно таким образом.

Этот метод можно использовать для выращивания длинных, стержнеподобных углеродных нанотрубок или нанопроводов из кремния. Такие наноматериалы имеют уникальные проводящие свойства и используются во многих областях оптики и электроники.

Полимеризация – это такой метод нанотехнологий, в основе которого лежит получение наноматериалов в виде полимеров из исходных мономеров с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Для его осуществления применяют так называемые генные машины, позволяющие синтезировать различные фрагменты ДНК (их называют олигонуклеотидами от греч. «оligos» – немного, незначительно, в отличие от полинуклеотида – целой ДНК). Затем из этих фрагментов с помощью все тех же генных машин конструируют матрицы, необходимые для производства того или иного вещества. Синтезированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК бактерий, которые затем производят множество копий нужного белка. Это позволяет эффективно строить белковые фабрики для получения практически любого выбранного протеина. Примером практического применения данного метода нанотехнологий является получение инсулина для лечения диабета.

12-й ученик (рассказывает о классификации и представителях некоторых групп наноматериалов). В 2004 в ФРГ, в г. Висбадене проходила седьмая Международная конференция по наноструктурным материалам, на которой была предложена следующая их классификация.

• Нанопористые твердые вещества. Для их получения используют золь-гель технологию. В ее основе лежит сушка дисперсных систем. Продуктами такой технологии являются наноматериалы, содержащие оксиды металлов (Аl₂O₃, V₂O₅, Fe₂O₃ и др.), которые могут применяться в качестве катализаторов, суперконденсаторов, топливных элементов и др.

• Наночастицы – это, например, уже упомянутые выше олигонуклеотиды, применяемые в генных машинах для создания ДНК по производству нужного белка в промышленных масштабах. Кроме этого, это частицы носителей, применяемые для доставки лекарств в заданные точки организма.

• Нанотрубки. Нанотрубки представляют собой совершенно новую форму материала. Различают полупроводниковые и металлические нанотрубки. Наибольший интерес представляют углеродные полупроводниковые нанотрубки, которые имеют форму крошечных цилиндров с диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной примерно в 1 мкм. Однослойные углеродные нанотрубки можно представить себе в виде свернутого в рулон одного слоя графита (в отличие от фуллерена, молекула которого похожа на футбольный мяч, образованный из одного слоя графита).

(При рассмотрении нанотрубок учителю будет уместно напомнить о явлении аллотропии и особенно о четырех аллотропных модификациях углерода: алмазе, графите, карбине и фуллерене.)

Углеродные нанотрубки представляют собой подобную фуллерену кристаллическую структуру, но собранную в другую форму, а потому обладающую другими свойствами (недаром некоторые исследователи предлагают считать нанотрубки еще одной модификацией углерода). Углеродные нанотрубки способны поглощать и удерживать водород в больших количествах, поэтому представляют собой ценный материал для создания двигателей на водородном топливе и водородных батарей. Углеродные нанотрубки обладают полупроводниковой способностью. Использование их позволит прийти к низкотемпературным катодам, в которых напряжение будет снижено до 500 В (в отличие от ныне действующих телевизионных катодов, которые работают под напряжением 10 кВ). Многослойные нанотрубки имеют высокий предел прочности на растяжение, который может достигать 63 ГПа, что в 50–60 раз больше, чем у высококачественных сталей. Давление, которое могут выдерживать такие трубки, достигает 100 ГПа, что в тысячи раз выше, чем у традиционных волокон. Это позволяет использовать их при изготовлении материалов для пуленепробиваемых жилетов и стекол, а также для производства сейсмоустойчивых строительных материалов. Углеродные нанотрубки имеют очень низкую плотность, что позволяет получать из них высокопрочные композиционные материалы, потребность в которых испытывают военная и авиационно-космическая техника, а также автомобилестроение. Углеродные нанотрубки обладают большой каталитической активностью, поэтому могут использоваться для проведения таких химических реакций, которые в обычных условиях невозможны, например прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода). Применение нанотрубок в качестве носителя катализатора определяется их химической устойчивостью и большой площадью поверхности.

• Нанодисперсии – дисперсные системы, в которых частицы фазы имеют наноразмеры и распределены в жидкой среде. Их основное применение – это контролируемая доставка лекарственных средств в организм, а также производство современных косметических материалов (средства для загара, туши для ресниц, различные кремы).

• Наноструктурные поверхности и пленки. В первую очередь, это поверхности искусственных и донорских органов, которые покрыты наноструктурными материалами, позволяющими избежать отторжения имплантируемых органов.

• Нанокристаллы и нанозерна. Используя методы коллоидной химии, удалось получить в нанокристаллической форме многие известные материалы: полупроводники, магнитные материалы и т.п. Использование таких кристаллов в металлургии позволяет повысить прочность и другие качества стали. Из такой стали изготавливают не только более тонкие, но и более прочные трубы, выдерживающие высокое давление, например, в газоперерабатывающей и газотранспортной сферах. Нанокристаллы и нанозерна позволяют обрабатывать поверхности с молекулярной точностью. Их можно использовать и в медицине для изготовления противораковых препаратов нового поколения. Широкие возможности представляют нанозернистые материалы для создания светоизлучающих устройств с низким энергопотреблением, а также сред для магнитной записи со сверхвысокой скоростью.

Группа из двух-трех учащихся делает сообщение о применении нанотехнологий в различных областях жизни современного общества, используя схему 2 (см. с. 14).

Схема 2

Применение нанотехнологий в различных сферах
жизнедеятельности общества

13-й ученик. Энергетика. Альтернативой использованию ископаемого топлива (природного газа, нефти, угля и др.) является применение фотоэлектрических элементов, которые непосредственно превращают солнечный свет в электрическую энергию, – так называемых солнечных батарей и повышение их КПД. В основе таких устройств лежат, в первую очередь, кремний и, реже, германий. Кремниевые фотоэлементы используются в жилищном строительстве и промышленном производстве, а также в калькуляторах и др. Солнечный свет фокусируется на полупроводнике, в роли которого выступает один кристалл кремния или его поликристалл. Получение таких кристаллов и является задачей нанотехнологии. Другая альтернатива использования энергии, получаемой от сжигания ископаемого топлива, – создание новых топливных элементов, например углеродных нанотрубок, обладающих высокой адсорбционной способностью к водороду.

Опосредованно энергетические проблемы с помощью нанотехнологий решаются возможностью применения наноустройств в полупроводниковых информационных технологиях.

Электроника. Уже сейчас нанотехнология позволяет изготавливать полупроводниковые элементы размером от 30 до 100 нм. В перспективе размер таких элементов будет снижен до 35–50 нм. Такую возможность предоставит использование в электронной отрасли промышленности углеродных нанотрубок и запоминающих устройств нового типа (например, одноэлектронная память). В свою очередь, это позволит повысить скорость передачи информации примерно до 10 гигабит в секунду. Кроме этого, важное значение имеет совершенствование техники хранения информации, которая решается через создание терабитовых запоминающих устройств, позволяющих повысить степень плотности записи на магнитных дисках примерно в 1000 раз.

Авиация и космонавтика. В авиации нанотехнологии, в первую очередь, влияют на такой фактор развития авиационного транспорта, как создание новых конструкционных материалов. Два других фактора: развитие моторостроения и улучшения аэродинамики летательных аппаратов, – от нанотехнологии также зависят, но в меньшей степени. С помощью нанотехнологий будут созданы термостойкие керамические композитные материалы (т.е. материалы, состоящие из двух и более компонентов), способные выдерживать температуру 1000–1600 °С и полимерные композиты, выдерживающие температуру 200–400 °С. В космонавтике требования к композитам еще выше: они должны быть очень термостойкими (выдерживать температуры около 3000 °С), сверхлегкими и сверхпрочными. Именно такие материалы были использованы для изготовления нашего «Бурана» и используются при изготовлении американских «Шаттлов».

14-й ученик. Медицина. Нанотехнологии позволяют создать материалы с «молекулярным распознаванием» и организовать массовое производство биодатчиков, способных длительное время осуществлять мониторинг за организмом человека, что даст возможность проводить раннюю диагностику некоторых заболеваний. Кроме этого, существует перспектива использования для диагностики и лечения заболеваний особых наноскопических устройств, называемых нанороботами. Введенные в организм человека, они смогут очистить сосуды от атеросклеротических отложений, уничтожить молодые раковые опухоли, исправить поврежденные молекулы ДНК, провести полную диагностику, доставить лекарство к конкретным органам и даже клеткам и др. Создание и совершенствование так называемых ДНК-чипов позволит легко осуществлять анализ генетической информации отдельно взятого человека и проводить лечебный курс на основе создания индивидуальных лекарственных средств в соответствии с этой информацией. Применение нанотехнологий дает возможность получать новые биоматериалы и искусственные функциональные полимеры – заменители тканей человека.

С помощью нанотехнологий создаются наноинструменты и наноманипуляторы, используемые в медицине. Так, уже появились нанопинцеты и наноиглы. Например, для изготовления нанопинцета применяются две углеродные нанотрубки диаметром в 50 нм, расположенные параллельно на подложке из стеклянного волокна. Эти трубки сходятся и расходятся при подаче на них напряжения, имитируя пинцет. Японцы создали нанопинцет, длина которого всего 3 нм, что позволяет манипулировать отдельными молекулами. Отечественные ученые из Новосибирска предложили свои наноинструменты – наноиглы, способные производить инъекции внутрь клеток.

Нанотехнологии позволят также организовать производство биологически активных веществ методами самосборки. Для решения этой проблемы нанотехнологи особое внимание уделяют эмбриональным стволовым клеткам, которые способны превратиться в клетки различных органов человека (нервные, эпителиальные, клетки печени и т.д.). Процессы превращения стволовых клеток связаны с механизмами самосборки клеточных структур. Использование стволовых клеток поможет произвести замену поврежденных органов и частичный «ремонт» поврежденных участков.

Биотехнология. Эта область применения нанотехнологий уже была рассмотрена, но еще раз стоит обратить внимание на взаимосвязь и значение этих двух технологий. В первоначальном значении биотехнологией называлось использование методов синтеза ДНК для получения определенных белков на наноуровне. В роли «фабрик» белкового производства выступали бактерии кишечной палочки, у которой заменяли фрагмент ДНК на участок, необходимый для синтеза конкретного белка. Наиболее яркими примерами подобного конструирования являются получение инсулина, фактора роста организма (соматотропина) и фактора VIII (или коагулирующего фактора, вызывающего свертывание крови и используемого при гемофилии), которые широко используются в медицине.

15-й ученик. Сельское хозяйство. По данным ООН, в настоящее время на Земле проживает около 7 млрд человек, а по прогнозам к 2050 г. население планеты может достигнуть 100 млрд человек. Уже сейчас продовольственная проблема является глобальной для человечества. Любой обыватель может наблюдать за ростом цен на продукты питания изо дня в день.

Решение продовольственной проблемы человечества зависит, в первую очередь, от широкого применения генной инженерии и биотехнологии для создания сортов растений с повышенной урожайностью и питательной ценностью, а также в создании высокопродуктивных пород животных и штаммов микроорганизмов.

Наноинструменты и ферментативные методики, применяемые в биотехнологии и генной инженерии, позволяют решать эти задачи более быстрыми темпами. Так, бурно эволюционирует производство все новых сортов хорошо известной каждому генно-модифицированной сои. Традиционные сорта помидоров, картофеля, кукурузы, гороха, пшеницы, риса и т.д., а также экзотических батата и папайи в сельскохозяйственной практике уступают место созданным с помощью генной инженерии сортам, устойчивым к сорнякам и вредителям и обладающим повышенной урожайностью.

Экология. С помощью нанотехнологии можно защитить окружающую среду от вредных воздействий, связанных с повышением температуры атмосферы Земли, разрушением озонового слоя, загрязнением среды диоксином, кислотными дождями.

Средняя температура Земли только за 40 лет прошлого столетия выросла на 0,5 °С. Прогнозируется, что в новом столетии средняя температура возрастет еще на 3 °С. Последствия этого грозят человечеству многими бедами: уровень мирового океана поднимется на 65?см (будут подтоплены прибрежные территории многих стран), произойдет кардинальное изменение климата, смещение природных зон и др. Нанотехнологии предоставляют возможность уменьшить температурные воздействия на атмосферу Земли с помощью:

• поиска альтернативных источников энергии,

• совершенствования солнечных батарей,

• уменьшения содержания оксида углерода(IV) в выхлопных газах.

Разрушение озонового слоя под воздействием широко используемых в промышленности и бытовой технике фреонов (хладагентов, аэрозолей) может привести к значительному росту заболеваний раком кожи и лейкемией. Поэтому перед нанотехнологиями стоит задача создания веществ и материалов, заменяющих фреоны.

Проблема загрязнения среды диоксином связана с широким применением хлорсодержащих соединений (поливинилхлорида, хлорированных углеводородов и т.д.) в промышленных целях.

С помощью нанотехнологий синтезируются новые материалы, способные заменить хлорсодержащие полимеры; создаются биодатчики длительного и точного мониторинга за окружающей средой; производятся нанопорошки для борьбы с загрязнениями окружающей среды, и, в первую очередь, с разливами нефти; конструируются нанофильтры, позволяющие предотвращать поступления диоксина и других отходов в окружающую среду, в том числе и выбросы в нее оксидов серы и азота транспортными и промышленными установками. Для последней цели немаловажную роль могут сыграть и созданные с помощью нанотехнологий катализаторы и их носители.

Оптика. Уменьшение размеров кристаллических зерен до нанометровых масштабов позволяет создавать из стеклообразных материалов новые оптические среды с очень высокими и регулируемыми коэффициентами преломления, изменением окраски, прочности и т.д. Такие среды называют наностеклами. Области их применения чрезвычайно многообразны. Например, с применением нанотехнологий на поверхности стекол создаются сотовые структуры, которые заполняются различными наноматериалами. Такие стекла могут использоваться для создания высокоэффективных устройств хранения и передачи цифровой информации. Также наностекла в комплекте с коротковолновыми лазерами позволят производить сверхмощные оптические запоминающие устройства и пленочные материалы с повышенной четкостью изображения. Наностекла могут применяться для изготовления оптических переключателей и тонких оптических волноводов. В сознании обывателя очки «хамелеоны» и изменяющие интенсивность затемнения автомобильные стекла редко связываются с представлениями о наномире, а ведь это именно так.

В Центре водных видов спорта в Пекине, где недавно завершилась олимпиада, крыша была изготовлена с применением наностекол, способных изменять интенсивность окраски в зависимости от интенсивности естественного освещения, а также выгибаться вовнутрь или наружу в зависимости от температурного режима.

Учитель. Нанонаука и нанотехнология являются интегрированным направлением современных, ранее считавшихся автономными, 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 логично предположить, что представление об этой науке потребуется в любой сфере вашей будущей профессиональной деятельности.

* * *

В эффективности этого семинара мы убедились на собственном опыте, когда проводили его в школе № 531 г. Москвы и школе № 33 г. Энгельса Саратовской области.

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

---

* Сортировка сыпучих материалов (угля, руды и др.) по крупности частиц (кусков) на специальных устройствах – грохотах. – Прим. ред.