Конспект урока "Нанотехнологии: что это?" 3 класс

Конспект урока окружающего мира.
Тема: Нанотехнологии: что это?
Цель: Учащиеся должны получить представление о нанотехнологиях и их областях
их применения.
Задачи:
1. Образовательные: познакомить с термином «нанотехнологии», раскрыть смысл
этого понятия, показать широкие перспективы применения нанотехнологий в
различных областях человеческой жизнедеятельности.
2. Воспитательные: воспитывать любознательность, формировать коммуникативные
навыки.
3. Развивающие: развивать креативное мышление, расширять кругозор.
Оборудование: электронная презентация.
Ход урока:
1. Оргмомент.
2. Постановка цели урока.
- Когда-то, давным-давно, люди начали сочинять и передавать из уст в уста
вымышленные истории сказки. И рассказывалось в них об удивительных вещах:
сапогах-скороходах, скатерти-самобранке… А какие еще волшебные предметы там
описывались?
- А как вы думаете, почему были придуманы эти удивительные вещи?
- Да, действительно, народ воплотил в них свою мечту быстро передвигаться, летать,
словно птица, передавать информацию на большие расстояния. И оказалось, что сказка
стала былью.
- Давайте попробуем догадаться, во что превратился, к примеру, ковер самолет?
- А печка, на которой Иван к царю отправился?
- А волшебное блюдце, по которому «катилося наливное яблочко»?
- А ступа Бабы-Яги?
- А клубочек, который катился и указывал путь?
Удивительно, но действительность превзошла все самые смелые человеческие
ожидания. Сегодня не только летают самолеты, но и ракеты поднимаются в космос, есть
не только телевидение, радио, телефон, но и «умная» машина компьютер. Все эти
открытия были совершены в макромире. Что же, больше нечего открывать, всё известно?
Нет! Человек решил отправиться в принципиально иной мир – микро.
3. Работа над новым материалом.
Эвристическая беседа.
- Как ученые называют все предметы, которые нас окружают? (Телами)
- Приведите примеры тел.
- Из чего состоят тела? (Из веществ).
- Какие вы можете назвать вещества?
- А из чего состоят вещества? (Из молекул)
- Молекулы каких веществ входят в состав воздуха?
- Покажите формулу молекулы воды.
- А делима ли молекула дальше? Из чего она состоит?
- Какие атомы входят в состав молекулы воды?
- На доске записаны химические формулы. На какие две группы можно их
классифицировать? Разделите их на две группы: атомы – молекулы.
- У нас есть волшебная машина, способная уменьшать в огромное количество раз. На
ней мы совершим круиз «вниз», в микромир, и посмотрим, что там. Закрываем глаза и
...Открыв их, оказывается в странном месте. Вокруг видны какие-то непонятные шары
и цилиндры. Они занимают все пространство вокруг. Мы попали в наномир!
Рассказ учителя.
Все вокруг состоит из атомов. Даже мы все состоим из атомов. А ведь в нашем мире
встречается около сотни различных атомов! И этого хватает, чтобы, переставляя их,
построить всё многообразие предметов окружающего мира!
Наверняка каждый человек задавался вопросом, каким образом питательные
вещества земли превращаются в сочные овощи, ягоды, фрукты? Разве не удивительно:
бросаем в землю семечко, а из него вырастает дивный цветок или сладкий плод. Но это
просто. Дело в том, что большинство вещей состоит из одних и тех же распространённых
в природе атомов и лишь порядок этих атомов, иначе говоря, их структура, определяет
какое же вещество мы наблюдаем. Так, с помощью химических реакций, меняя порядок
атомов, природа из земли и воды создаёт ароматную клубнику, сочное яблоко или
кислый щавель. Вот здесь и возникает заманчивая перспектива: а нельзя ли нам
научиться по собственному желанию менять атомную структуру каких-либо дешёвых
веществ, чтобы получать всё, что мы только пожелаем? И вот, постепенно накапливая
знания в различных областях науки, как-то незаметно для многих, человечество подошло
к возможности такого переворота, которого не бывало в истории.
И совсем не так давно, в 1959 году Ричард Фейнман произнес загадочную фразу
«там, внизу, много места». Где внизу? Какого места? Никто сначала не понял ее
глубокого смысла. Однако, нобелевский лауреат Фейнман в своём выступлении
предсказал, что в недалёком будущем, научившись манипулировать (действовать)
отдельными атомами, человечество сможет синтезировать (создавать) все, что угодно.
А в 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами
туннельный микроскоп. С его помощью можно не только «видеть» отдельные атомы, но
и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная
возможность манипулировать атомами, а стало быть, возможность непосредственно
собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое
вещество!
В 1992 году доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда
нанотехнологии преобразят наш мир. Человечество получит исключительно
комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни
изнурительному физическому труду. Практически все, что необходимо для жизни и
деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами
непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания из
почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы
из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более экономически
выгодным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство.
Нанотехнологии - это технологии, основанные на манипуляции отдельными
атомами и молекулами для построения структур с заранее заданными свойствами.
Нанотехнологии развиваются в трех основных направлениях:
1) создание материалов с экзотичными, заранее заданными свойствами путем
оперирования отдельными молекулами;
2) конструирование так называемых нанокомпьютеров, иначе говоря, квантовых
компьютеров, использующих вместо привычных микросхем наборы логических
элементов, построенных из отдельных молекул;
3) сборка нанороботов, самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем, для
краткости называемых иногда наноботами, - невидимых человеческим глазом
крошечных механизмов, призванных, в свою очередь, вести строительство на
молекулярном уровне.
И если первые разновидности довольно экзотичных наноматериалов уже
существуют и используются в промышленности, а отдельные элементы
нанокомпьютеров только-только появились в виде опытных образцов, то задачу по
созданию самого первого наноробота-сборщика еще только предстоит решить. И вот
именно с появлением этого первого одного-единственного механизма и начнется новая
эра, когда наша жизнь за короткое время претерпит самые невероятные изменения.
Любые металлы или пластмассы, которые у нас требуется еще как-то добыть или
получить и обработать, с точки зрения наноскопического робота-сборщика представляют
собой всего лишь структуры атомов и молекул, которые нужно лишь собрать в
определенной последовательности из самого простого "материала", который всегда под
рукой.
Вся производственная и даже непроизводственная человеческая деятельность будет
представлять собой программирование и управление наноботами с помощью готовых
программ. Для того чтобы создать (может быть даже в считанные секунды и буквально
"из ничего") какой-либо макроскопический объект, нужно будет только передать
невидимым механизмам соответствующую последовательность команд.
Представьте: стремительно дешевеющая техника, электроника, сверхдешевые
материалы с самыми фантастическими свойствами. Практически любые промышленные
производства переводятся на безотходные, а, следовательно, ничуть не вредящие
природе технологии. Возможно появление лекарств и продуктов питания,
воспроизводимых не на полях, а в какой-нибудь кювете - в неограниченном количестве и
практически бесплатно.
Так, продолжаем наше путешествие. Где же мы? Мы попали внутрь компьютера.
Сам компьютер всего лишь набор нанотранзисторов и нанотрубок. Нанотрубки
основа современной нанотехнологической промышленности. Для их создания можно
насадить на вертел пару сот атомов углерода и медленно поджаривать на огне. Этот
“поджаренный” углерод цилиндрической формы намного легче и прочнее металлов,
гибкий, как пластмасса, и, кроме того, может проводить ток.
Или, как другой вариант, возьмем листик из атомов углерода и свернем его как
снежинку с шестью углами. Это простейшая одностенная нанотрубка. Если нанизаем так
одну за другой, по принципу матрешек, несколько снежинок получим многостенную
нанотрубку.
Мы продолжаем поход в пространстве – пора плыть вперед…
…Вокруг темнота и ничего не видно. Судно прошло сквозь кислородные пленки,
заключенные в какие-то гигантские молекулы полимеров. Кажется, корабль проглотил
хамелеон! Какой-то предмет меняет свой цвет!
Корабль бросил якорь внутри мотоциклетного шлема!
Настоящий шлем-хамелеон был создан для путешествий со стремительной сменой
освещения. Его прозрачность находится в симбиозе с внешней средой. Если мчаться по
современным улицам разбитых фонарей, попеременная смена яркости в шлеме может
спасти жизнь. Отметим этот остров достижений нанотрубной промышленности на карте
и посмотрим, какие острова расположены по курсу...
…Сходим на берег и видим знакомую картину снежинок-нанотрубок. Корабль
движется внутри предмета, похожего на сплюснутый футбольный мяч. В середине он
соприкасается с еще одним шаром, но гораздо меньших размеров и не сплюснутым.
Это теннисная ракетка с мячиком. Основные преимущества такой ракетки по
сравнению с обычными более высокая жесткость сетки и мощность подачи. Это
достигнуто за счет прочности наноматериалов, расположенных в каждой точке ракетки.
То же самое относится и к теннисному мячику он становится гораздо долговечнее.
Кроме того, покрыв мяч изнутри несколькими слоями из наноматерии, мы защитим его
от проникновения воздуха, сохранив неизменным его вес и прыгучесть.
…Предмет, внутри которого мы очутились, имеет весьма специфический климат.
Запах отсутствует, но чувствуется, он здесь был. Перемещаясь внутри него,
устанавливаю: объект имеет форму бумеранга. Здесь полно серебра. Благородные атомы
занимаются тем, что ищут редкие проникновения вражеских агентов-бактерий и
ликвидируют их. Объект опознан мы внутри носка!
Самые обычные хлопковые носки с серебряными наночастицами устраняют
возможное размножение бактерий и грибка. Наночастицы, помимо очистки от грязи,
стимулируют кровообращение в ногах, вызывая циркуляцию крови специально для
неподвижной работы. Косвенным образом все это приносит экологическую пользу: при
химчистке необходимо было бы использовать токсичные вещества.
Помимо этого, нанесение на ткань (не обязательно носков) двуокиси титана, которая
используется в солнцезащитных кремах для получения белого цвета, позволило
создавать на поверхности электрические частицы для расщепления грязи. Только
процесс требует солнечных лучей.
…Корабль проходит через ряд преград и останавливается в широкой реке. Видны
проносящиеся шары со странными выступами.
Картина напоминает внутренний космос: мы внутри человеческой артерии. Вместо
звездолетов здесь летают нанокапсулы, усовершенствованные модели родных человеку
кровяных телец – эритроцитов.
Превращение нанотрубки в транспортный конвейер потребовало покрытия
нанотрубки частицами индия. Затем, подав разность потенциалов на одном из индиевых
«узлов» и свободном конце трубки, нагрели всю эту конструкцию. Индий стал исчезать
и появляться у другого свободного конца нанотрубки. Движение между узлами
напрямую зависит от величины напряжения, что дает рычаг управления потоками
атомов. Эта система нанотранспортировки требует всего одну нанотрубку, источник
энергии и транспортируемый материал. Нанотрубка содержит лекарство, либо
“здоровые” варианты генов – хороший способ лечения аллергии.
Углеродные нанотрубки позволяют сращивать поломанные конечности без риска
отторжения и с большой прочностью. Один укол раствора из нанотрубок и все
заживет! Для этого необходимы более трансформированные нанотрубки, которые могли
бы хранить в себе спецдобавки для костей. Сам укол тоже необязателен, мы в состоянии
собрать из нашего конструктора из нанотрубок с большим диаметром и тонкими
стенками нанокапсулу и сложить все лекарства в нее.
Лукреций считал, что бессмертием обладают лишь атомы. Но, может, пришло время
и некоторым биологическим структурам, состоящим из этих атомов, тоже стать
таковыми? Нанороботы, дети нанокапсул, внуки нанотрубок, позволят лечить любые
болезни, включая старение, которое тоже болезнь. Они также смогут собирать сами себя
и все, что только можно сложить из атомов.
Разработан нанодетектор на основе углеродных нанотрубок. Новое устройство
обладает необыкновенной чувствительностью к боевым нервно-паралитическим
отравляющим газам. Нанодетектор отравляющих газов определяет ничтожные
количества опасных веществ в воздухе. Детектор не превышает размеров спичечного
коробка и позволяет мгновенно выводить результаты анализа на монитор. Известный
нервно-паралитический газ зарин, убивает в течении 10 минут, будучи распылен в
воздухе в ничтожной концентрации. То же касается многих других газов, потому ввод в
обращение нового детектора в современных условиях просто необходим для
обеспечения безопасности населения.
Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в
некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Реальный пример
DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического
контроля матриц.
Новое нановещество мгновенно заживляет раны.
Американские ученые разработали нановещество, которое способно мгновенно
останавливать кровотечение. В ближайшее время должно состояться испытание нового
наноматериала. Если эксперимент пройдет успешно, то появление подобного
наноматериала способно совершить переворот в медицине.
В первую очередь это вещество планируют применять в хирургии для остановки и
даже предотвращения кровотечения. По словам ученых, этот материал может найти
широчайшее применение в хирургии, особенно при сложных операциях на мозге, сердце,
брюшной полости. Например, при удалении больших опухолей кровотечение бывает
настолько сильным, что все ассистенты некоторое время занимаются лишь её
промакиванием губками и термокоагуляцией. Помимо сохранения времени, препарат
снизит необходимость в переливании крови и дополнительных операциях на
кровеносной системе. Более того, он сокращает риск проникновения инфекции,
например, при проведении полостных операциях на кишечнике.
Кроме того, это вещество может быть применено службами спасения при авариях и
катастрофах, а также в полевой медицине. Оно может долго храниться и займет прочное
место в полевых аптечках. Кроме того, оно легко разлагается организмом, в отличие от
других кровоостанавливающих средств.
При попадании раствора этого вещества на разрез кровь перестает течь буквально за
секунды.
Спастись от паралича помогут нанотехнологии
Новая технология, разработанная учеными, позволяет восстанавливать
поврежденные нервные ткани спинного мозга, что буквально позволит встать на ноги
людям, прикованным к инвалидному креслу. Созданное вещество, после ввода в
спинномозговую ткань, формирует нановолоконную структуру, стимулирующую рост
нервных клеток и обеспечивающую восстановление функционирования спинного мозга.
Пока в ходе опытов было установлено, что лечение данным веществом
восстановило функционирование задних ног у парализованных лабораторных мышей.
Новое вещество отличается от них тем, что его можно вводить в спинной мозг иглой в
жидком виде. Молекулы с отрицательным зарядом в жидкости начинают собираться при
соприкосновении с положительно заряженными частицами в организме, такими как
кальций или натрий. Молекулы собираются в цилиндрические полые нановолокна,
образующие решетчатые структуры для роста внутри них нервной ткани. На
поверхности волокна находятся молекулы, подавляющие образование рубцов и
стимулирующие рост нервной ткани.
Нанороботы будут способны ремонтировать клетки. Снабжённые полным
описанием человеческого тела с точностью до атома они смогут вернуть даже очень
старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операций на органах
мы перейдём к операциям на молекулах и станем практически бессмертными.
Замороженные при помощи крионики найдут свое воскрешение миллионы роботов
смогут поклеточно восстановить их разрушенные в процессе замораживания клетки.
Раковые клетки теперь будут... взрывать!
Учёные разработали