Нанотехнология и наноматериалы

Главное по теме

• 1 нанометр = 10⁻⁹ м = 0,000000001 м; 1 мкм = 1000 нм; 1 мм = 10⁶ нм.
• Нанотехнология работает с объектами размером примерно от 1 до 100 нм и создаёт материалы и устройства из отдельных атомов и молекул.
• Два подхода: сверху вниз (измельчение и вытравливание из большого куска) и снизу вверх (сборка из атомов и молекул).
• С уменьшением размера растёт доля атомов на поверхности: у куба с ребром a отношение площади поверхности к объёму равно 6a.
• Свойства наночастиц отличаются от свойств крупных кусков того же вещества: цвет, прочность, проводимость, плавление, химическая активность.
• Углеродные наноматериалы: графен (один слой атомов углерода), нанотрубки (свёрнутый графен), фуллерены (шарики из атомов углерода, например C60).
• Приборы для наномира: сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп, они позволяют видеть и перемещать отдельные атомы.
• Применение: медицина (доставка лекарств), электроника, прочные лёгкие материалы, покрытия с эффектом лотоса, солнечные батареи, датчики.
• Квантовые точки - наночастицы полупроводника, цвет свечения которых зависит от размера.
• Есть и риски: действие наночастиц на здоровье и окружающую среду изучается, это важная часть темы.

Задания с разбором

Где теряют баллы

• Нанотехнологии и космология: масштабы, наноматериалы, строение Вселенной

  Ловушка: Нанометр путают с микрометром; Солнце называют звездой-гигантом.

  Как решать: 1 нм = 10⁻⁹ м, 1 мкм = 10⁻⁶ м. Солнце жёлтый карлик. Закон Хаббла v = Hr: чем дальше галактика, тем быстрее удаляется.

Объяснение простыми словами

Возьми обычный волос с головы. Его толщина около десятков микрометров, то есть десятки тысяч нанометров. А теперь представь, что волос разрезали вдоль не на две, а на десятки тысяч частей. Вот насколько мал один нанометр. Нанометр - это одна миллиардная доля метра: 1 нм = 10⁻⁹ м. Атом имеет размер порядка десятых долей нанометра, значит в одном нанометре помещается лишь несколько атомов в ряд. Нанотехнология - это умение работать с веществом именно на таком масштабе.

Чтобы не путаться в единицах, запомни лестницу: 1 мм = 1000 мкм, 1 мкм = 1000 нм, поэтому 1 мм = 10⁶ нм. Нанотехнологиями принято называть работу с объектами размером примерно от 1 до 100 нм. Для сравнения: клетка человека имеет размер порядка десяти микрометров, вирус - порядка сотни нанометров, а ширина молекулы ДНК - около двух нанометров. Идею впервые высказал физик Ричард Фейнман в 1959 году в лекции о том, что внизу, на уровне атомов, много места, а слово нанотехнология предложил в 1974 году японский учёный Норио Танигути.

Дальше в Biik: продолжение объяснения, видеоразбор и проверка из 8 заданий по этой теме.

Термины

Нанометр

Единица длины, одна миллиардная доля метра: 1 нм = 10⁻⁹ м.

Приставка нано

Множитель 10⁻⁹; миллиард нанометров составляет один метр.

Нанотехнология

Область науки и техники, работающая с объектами размером от 1 до 100 нм и управляющая веществом на уровне атомов и молекул.

Наноматериал

Материал, структура которого или частицы которого имеют размеры в нанометровом диапазоне и обладают особыми свойствами.

Наночастица

Частица размером от 1 до 100 нм хотя бы в одном измерении.

Подход сверху вниз

Получение наноструктур измельчением, вытравливанием и обработкой крупных образцов.

Подход снизу вверх

Получение наноструктур сборкой из отдельных атомов и молекул.

Самосборка

Процесс, при котором молекулы сами выстраиваются в упорядоченную наноструктуру.

Сканирующий туннельный микроскоп

Прибор, который по току между острой иглой и поверхностью строит картину отдельных атомов; его создали Бинниг и Рорер в 1981 году.

Атомно-силовой микроскоп

Прибор, ощупывающий поверхность тонкой иглой и измеряющий силы между иглой и атомами, подходит и для непроводящих материалов.

Графен

Плоский слой атомов углерода толщиной в один атом, атомы расположены в виде сот; очень прочный и хорошо проводит ток.

Углеродная нанотрубка

Цилиндр из свёрнутого графенового листа, диаметр несколько нанометров, очень прочная и лёгкая.

Фуллерен

Молекула из атомов углерода в форме замкнутой сферы, самая известная C60.

Квантовые точки

Нанокристаллы полупроводника, у которых цвет свечения определяется размером частицы.

Квантовые размерные эффекты

Изменение свойств вещества при уменьшении размеров до нанометров, когда начинают проявляться квантовые законы.

Удельная поверхность

Отношение площади поверхности тела к его объёму; у наночастиц она очень велика.

Эффект лотоса

Свойство поверхностей с наноструктурой отталкивать воду и грязь, как лист лотоса.

Нанопокрытие

Тончайшая плёнка с наноструктурой, придающая поверхности новые свойства: защиту, водоотталкивание, самоочистку.

Нанопорошок

Порошок из частиц нанометрового размера, из него получают прочную керамику и композиты.

Нанотоксичность

Возможное вредное воздействие наночастиц на организм и среду, которое нужно изучать.