О новом цикле лекций для
учителей химии «Нанохимия
и нанотехнология»

Самая бурно развивающаяся область науки в современном мире связана со структурами, характерные размеры которых попадают в нанометровый диапазон. Эту область принято называть «нанонаукой», или «наноразмерной наукой». Она имеет ярко выраженный междисциплинарный характер и объединяет усилия химиков, физиков, биологов, математиков и специалистов в области вычислительной техники. Ее отдельные разделы основаны на достижениях классических научных дисциплин. Так, нанохимия изучает химические способы получения наночастиц и наноматериалов и их химические свойства.

Развитие нанонауки постепенно меняет наши представления о строении вещества. Начиная с середины XIX в. известно, что у каждого вещества есть атомно-молекулярный уровень (его иногда называют микроскопическим, хотя с точки зрения размеров лучше подходит название «субнанометровый»), определяющий структуру вещества. У всех веществ есть также объемный, или макроуровень, на котором проявляются макроскопические свойства. Теперь мы должны привыкнуть к мысли о том, что существует и наноуровень – промежуточный между атомным и объемным. На этом уровне свойства вещества определяются, главным образом, поверхностными эффектами – ведь у частиц нанометровых размеров отношение поверхности к объему намного больше, чем у крупных частиц. Наноуровень есть у всех веществ, но только у некоторых из них он является определяющим – именно такие вещества и служат объектами исследования нанонауки. Свойства нановеществ и наноматериалов могут кардинально отличаться от свойств объемных материалов. Так, наносеребро может растворяться в уксусной кислоте с выделением водорода, нанозолото иметь красный или фиолетовый цвет, а наноалюминий – сгорать на воздухе. Кроме того, все свойства наночастиц, в том числе и необычные, сильно зависят от их размера: размерный эффект – один из основных в нанонауке. Это создает возможность направленного синтеза материалов с заданными свойствами.

Нанонаука неразрывно связана с нанотехнологией, задача которой – производить нанообъекты с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами и использовать их для решения практических задач. Можно сказать, что нанонаука включает фундаментальные исследования, а нанотехнологии являются продуктом прикладных разработок. Количество исследований в области нанонауки и нанотехнологии резко увеличивается с каждым годом, причем результаты многих из них уже нашли практическое применение. Некоторые из проектов имеют под собой реальную основу, например эффективный водородный двигатель или системы детектирования злокачественных опухолей, другие, как, например, космический лифт или медицинские нанороботы – более фантастичны. Общество возлагает на нанотехнологии большие надежды, связанные с созданием новых источников энергии, обеспечением потребностей в чистой воде и воздухе, улучшением здоровья и увеличением продолжительности жизни, развитием информационных технологий. На графике зависимости реакции общества на появление новых технологий от времени (рис.) мы находимся вблизи пика необоснованных ожиданий, хотя непонятно, с какой стороны – слева или справа.

Несмотря на сравнительно недолгую историю – меньше двух десятков лет – нанонаука и нанотехнология уже изменили окружающий мир. Правительства тратят миллиарды долларов на исследования и их практическую реализацию*, политики и футурологи рассуждают о возможностях кардинально изменить жизнь человечества, слово «нанотехнология» стало почти таким же привычным, как «компьютер». Сама нанонаука способна в принципе изменить способ мышления ученых, т.к. демонстрирует возможность управления свойствами веществ на надмолекулярном уровне.

Мощное вторжение нанонауки и нанотехнологии в общественную жизнь не могло не затронуть систему образования. Уже разработаны стандарты нанообразования для высшей школы, созданы учебные планы для элективных школьных курсов по нанохимии и нанотехнологии, издан ряд популярных книг, посвященных нанотехнологии. Среди них особо отметим «Наноазбуку», написанную сотрудниками Московского государственного университета, в которой на самом элементарном уровне очень грамотно и квалифицированно объясняется смысл основных понятий нанонауки. По заказу издательства «Дрофа» автором с коллегами создано учебное пособие «Нанохимия», предназначенное для разработки и проведения элективных учебных курсов в средней школе.

Для того, чтобы помочь учителям познакомиться с основными понятиями нанохимии и нанотехнологии и успешно проводить занятия со школьниками по этим темам, на страницах газеты «Химия» (ИД «Первое сентября») мы предлагаем курс из восьми лекций (II полугодие 2009 г.). Этот курс, за исключением олимпиадных задач, рассматриваемых в нем, ориентирован на нормальный школьный уровень химии. Однако, рассказывая о наномире, постоянно приходится приводить сведения из других наук – физики, биологии, информатики. Это еще раз подчеркивает, что главное свойство нанонауки – ее ярко выраженная междисциплинарность.

После прохождения этого курса вы не станете специалистами в области нанотехнологии, однако поймете главное – что стои'т за этим столь часто употребляемым словом. Нанонаука развивается стремительно, поэтому мы не будем рассказывать о новейших открытиях в этой области, ведь они быстро устаревают и сменяются более свежими научными результатами. Наша главная задача – познакомить вас с основными понятиями, подходами, принципами нанохимии и ее важнейшими приложениями. Вы не найдете описания всех возможных применений нанообъектов, а лишь получите первое представление о наномире, о методах создания и исследования нанообъектов, узнаете о роли химии в нанонауке и нанотехнологии, о том, какие существуют наноматериалы и каковы их свойства.

Весь курс состоит из трех примерно равных частей. В первых трех лекциях вы узнаете об основных понятиях нанохимии, способах синтеза и исследования наночастиц и наноматериалов и их применении в нанотехнологии. В последующих трех лекциях рассматриваются свойства и химические приложения конкретных наноматериалов. Последние две лекции будут посвящены учебным аспектам – в них мы расскажем о том, с какими идеями и методами нанохимии можно познакомиться в олимпиадных задачах разного уровня. Каждая лекция будет завершаться подробным списком литературы, а также набором вопросов и задач для самоконтроля, как в школьном учебнике. Текущий контроль обеспечивается двумя контрольными работами (после 3-й и 6-й лекций). Наш курс – замкнутый, поэтому для решения задач этих контрольных работ будет достаточно материала лекций.

В заключение подчеркнем одну важную мысль, которую хотим донести до вас и ваших учеников: создание и успешное применение нанотехнологий невозможно без уверенного владения основными понятиями и законами классической науки. В химии это – закон сохранения массы и энергии, молекулярная структура, стехиометрия, химическое равновесие и его зависимость от температуры, давления и состава (принцип Ле Шателье), катализ, pH и многие другие. На наноуровне нет новых законов природы, а есть лишь необычное сочетание размерных, поверхностных, квантовых и других эффектов, давно известных в науке. Главная задача теперь – освоение и правильное использование этих эффектов.

Желаем вам успехов в изучении основ нанохимии и нанотехнологий! Вы всегда можете рассчитывать на нашу помощь и консультации в любых разделах химии. Надеемся на плодотворное сотрудничество с вами и полезную обратную связь!

---

* В России, например, создана госкорпорация «Роснанотех» с бюджетом несколько миллиардов рублей.

В.В.ЕРЕМИН,
профессор химического факультета
МГУ им. М.В.Ломоносова