Влияние знаний нанохимии на активизацию учащихся в процессе обучения химии

 

Алиева Рафига Алирза кызы,

доктор химических наук, заслуженный деятель науки, член-корр. НАН Азербайджана,

Ахвердиев Камиль Насир оглы,

доцент кафедры методики преподавания химии.

Бакинский государственный университет.

 

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Нанотехнология – высокотехнологическая отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. Разработки в этой области ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если 10 лет назад единицы людей представляли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами.

С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему.

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнест Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

В 1959 году американский физик Ричард Фейнман впервые опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции «Там внизу – много места», произнесенной им в Калифорнийском Технологическом институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.

Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами.

В 1968 году Алфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нано-обработки поверхностей.

В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехника» предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона.

В 1981 году германские физики Герд Биннинг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп-прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

В 1985 году американские физики Роберт Керл, Херолд Крото и Ричард Смоли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

В 1986 году нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации.

Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться еще примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров возрастут квантомеханические помехи: электроны начнут пробивать переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.

Всякая технология, будь то обработка материала на макро-, микро- или наноуровне, не может обходиться без средств измерения соответствующих величин. Среди многообразия измерительных приборов существуют специальные приборы для измерения как больших, так и малых расстояний.

Так, малые расстояния вплоть до миллиметрового порядка легко измеряются с помощью обычной линейки. Его можно измерить, например, толщину куска плотного картона. Не так уж трудно измерить толщину тонкого листа бумаги, если таких листов много. Сложите в стопку сто листов, возмите линейку и разделите получившуюся величину на 100. В результате такого измерения мы получаем толшину одного листа, исходя из того, что все листы совершенно одинаковые.

Оптический микроскоп позволяет видеть мелкие детали величиной до 0,25 мкм. Дальнейшие способы улучшения микроскопа, работающего на принципах оптики, привели к созданию его электронного варианта, с помощью которого удается наблюдать предметы с размерами порядка нанометра. Электронный микроскоп позволяет различать даже атомные решетки, но вот обнаружить в них дефекты он уже не может. А ведь для целей нанотехнологии нужно хорошо визуализировать отдельные атомы!

Поэтому когда все возможности данного устройства были исчерпаны, ученые принялись искать новые пути решения поставленной задачи. И вот в начале ХХ века появилась оригинальная идея изучать вещество, не увеличивая визуально исследуемую площадь его поверхности, а как бы трогая ее. Здесь пригодился открытый к тому времени туннельный эффект, на основе которого в 1981 году был создан первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).

Туннельный эффект является принципиально квантомеханическим эффектом, не имеющим аналога в классической физике, и поэтому представляет огромный интерес для исследователей. Он основан на корпускулярно-волновом дуализме – двойственной природе элементарных частиц.

В 1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных – с точностью до отдельных атомов-низкоэнергетичных технологических процессов, явилось создание Г.Бинингом и Г.Рорером, сотрудниками щвейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии.

Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость тока туннелирующих электронов от расстояния обеспечила высокую чувствительность и высокую разрещающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящей системы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющей пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор с точностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов, при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областей определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.

Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.

Обычно, для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом и проводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт, что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной, меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологических процессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярных процессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения, а также стимулировать локальные химические реакции.

Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях.

В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вауумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок.

Напуск технологического газа или паров вещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов:

·                     поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду;

·                     поляризации вещества под зондом;

·                     удаления вещества из-под зонда за счет нагрева;

·                     возникновения и поглощения плазменных колебаний;

·                     межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества;

·                     локальных химических реакций.

Данные процессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильно зависит от типа применямого вещества.

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические фукции за счет особенности взаимодействия электронов с наностркутурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам можно отнести наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используется волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимися, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам – наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток.

В 1993 году было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах.

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого устройства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив раелизовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я.А. Федотовым «тиранией межсоединений». Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

Исследователям из Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе. В результате был изготовлен первый гибридный нанометр с небиологическими элементами из 100 нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическому протеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.

Как показывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогуть обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.

Развитие нанотехнологий ставит ряд очень важных вопросов. В первую очередь философского характера.

Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия.

Нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области польностью открыто, с тщательным контролем, исключающим создание оружия.

Эрик Дрекслер пишет: « Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».

Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно.

Сегодня кажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовые эксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее же технологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники.

 

Литература

 

1. Бабанский Ю.К. Проблемы повышения эффективности педагогических исследований: Дидактический аспект. М., 1982.

2. Бордовская Н.В., Реан А.А. Педагогика. Учебник для вузов - СПб.: Питер, 2000.

3. Журавлев В.И. Взаимосвязь педагогической науки и практики. М., 1984.

4. Исаев И.Ф. Теория и практика формирования профессионально0педагогической культуры преподавателя высшей школы. М., 1993.

5. Латынина Д.Н. История педагогики. Воспитание и образование в России (Х- начало ХХв): Уч.пособие - М.: ИД Форум, 1998.

6. Константинов Н.А., Медынский Е.Н., Шабаев М.Ф. История педагогики-М.: Просвещение, 1982.

7. Лихачев Б.Т. Сущность, критерии и функции научной педагогики; Педагогика. 1997. 6.

8. Лихачев Б.Т. Экология детства: прежде и теперь; Развитие личности. 1997. 1.

9. Харламов И.Ф. педагогика: Учеб. пособие для студентов ун-тов и пед. ин-тов.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк.,1990.

10. Шабаев М.Ф. История педагогики: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов - М.: Просвещение, 1981.

11. Шаталов В.Ф. Точка опоры - М.: Педагогика, 1986 г.

12. Шевченко С.Д. Научить всех - научить каждого - М.: Педагогика,1989 г.

13. Шепель В.М. Настольная книга бизнесмена и менеджера - М.: Финансы и статика, 1992 г.-240 с.

14. Щуркова Н.Е. Новые технологии воспитательного процесса. - М., 1994 г.

15. Щуркова Н.Е. Практикум по педагогической технологии. - М., 1998 г. - 250 с.

16. Юсуфбекова Н.Р. Общие основы педагогических инноваций: Опыт разработки теории инновационного процесса в образовании. М.,1991.

 

Поступила в редакцию 13.10.2010 г.