Научно-популярная лекция по размерной физике. Была прочитана в Нанограде-2013 (2.7.2013, г. Истра) в рамках школьной лиги РОСНАНО

1. Когда размер имеет значение?

2. • Загадки наномира
• Как должны быть сложены лилипуты?
• Как лилипуты бегают?
• Почему штангистов взвешивают?
• Почему прыгунов в высоту НЕ взвешивают?
• Почему щука всегда догонит карася?
• Почему хомяк всѐ время ест?
• Как лилипуты видят?
• Почему мухи могут ползать по потолку?
К.Ю. Богданов
кандидат физ-мат наук,
доктор биологических наук

3. Загадки наномира
--- цвет зависит от размеров
--- прочность растёт
--- температура плавления падает на сотни градусов
--- реакционная способность веществ растёт
--- появляется способность к самосборке и
--- ????
При уменьшении объектов до НАНОразмеров их свойства
изменяются:

4. Загадки наномира :
цвет зависит от размеров

5. Почему цвет наночастиц зависит от их размера?

6. Почему цвет наночастиц зависит от их размера?
Чем больше частица, тем больше у каждого атома соседей
и тем легче оторвать электрон
числоближайшихсоседей
размер частицы в ангстремах

7. Загадки наномира :
цвет зависит от размеров

8. Загадки наномира : квантовые точки

9. Загадки наномира : высокая прочность
Структура поликристалла.
Белое - микротрещины
Кремниевые проволочки с
золотыми шляпками
микротрещины

10. Почему нанопроволоки в десятки раз более прочные
• Чем больше образец, тем больше в нѐм дислокаций
• У нанообразцов дислокаций может не быть вообще
• Поэтому они не обладают пластичностью и очень прочны
идеальный кристалл дислокация
Пластичность -
это
проявление
дислокаций

11. Загадки наномира :
понижение температуры плавления
частицы золота размером 5-10 нм плавятся при температуре
меньше на несколько сотен градусов

12. Почему температура плавления наночастиц низкая?
Чем меньше атомов в частице, тем большая их доля на поверхности
А на поверхности порядка нет !!!
Доляповерхностныхатомов
N – число атомов

13. Почему температура плавления наночастиц низкая?

14. Загадки наномира:
высокая реакционная способность

15. Ag =
Загадки наномира:
высокая реакционная способность

16. в
б
а
+- +-
+-
Загадки наномира:
способность к самосборке

18. Какой рост у лилипутов?
Рост лилипутов = 1/12 роста человека
Как должны быть сложены лилипуты?

19. Какими должны быть кресла для лилипутов?
Если размер кресла уменьшают в N раз, то площадь
поперечного сечения стержня, поддерживающего
кресло, уменьшается в N2
раз, НО…
Но, если рост лилипута в N раз меньше, то его вес – в N
3
раз меньше, чем у
человека
эта площадь поперечного сечения стержня, должна быть пропорционально весу
Для экономии материала площадь поперечного сечения стержня у «лилипутных»
кресел надо уменьшать не в N2 раз, а – в N
3
раз !!!
Сечение подставок и опор у лилипутов должно быть меньше !

20. Какими должны быть кости у лилипутов?

21. Как лилипуты бегают?
Когда F1 = F2, мы движемся равномерно со скоростью:
см
c
dg
v
в
ч
/20
2,11
8,915,0104,0 3






Сила, толкающая нас вперѐд, -
это сила трения покоя:
F1 = mg = чdSg
Сила, мешающая нам двигаться, -
сила сопротивления воздуха
F2 = cвSv2
У лилипутов d меньше и значит они бегут медленнее !!!

22. Почему бегунов не взвешивают?
6
1
21 mсdс
c
dg
v
в
ч



ТРАДИЦИОННО!!!

23. Почему тяжелоатлеты выступают в разных весовых категориях?
Почему сила человека зависит от его массы?

24. Почему тяжелоатлеты выступают в разных весовых
категориях?
y = 9,0·M0,67
100
110
120
130
140
150
160
170
180
40 50 60 70 80 90
Массаштанги,кг
Масса спортсмена, кг
Мировые рекорды в жиме для женщин
y
M
Н. Евстюхина

25. Почему тяжелоатлеты выступают в разных весовых
категориях?
мышца
мышеч.
клетки

26. ТРАДИЦИОННО!!!
Почему прыгунов в высоту НЕ взвешивают?
Высота прыжка в принципе ДОЛЖНА зависеть от массы прыгуна и….
от мастерства!

27. Если известна максимальная энергия Wмакс, которую может придать
себе прыгун массой m, то можно найти высоту h, на которую он
подпрыгнет:
Wмакс=mV2/2  m4/3
mgh= mV2/2
h  m1/3,
т.е.
высота прыжка в принципе должна зависеть от массы прыгуна и от
мастерства!
Почему почему прыгунов в высоту надо взвешивать?

28. Почему щука всегда догонит карася?
2
1 VSkFтрения  1V
2V
необходимая мощность N=Fтр
.V
доступная мощность N=k2
.Q
3
1
2 






S
Q
CV
2
1
3
1
2
1
V
V
L
L







29. Почему пловцов не взвешивают?
ТРАДИЦИОННО!!!
3
1
LсV 
Место для формулы.

30. Почему хомяк всё время ест?
Масса еды в день  1/10 массы тела
Масса еды в день
 массе тела

31. Высота в N раз
меньше
M1
M2
Бóльшая часть энергии от еды
идѐт на компенсацию этих
потерь
Потери энергии пропорциональны
поверхности тела, S
Энергия q от еды
пропорциональна еѐ массе m
2
1
23
1
2 ,
N
S
S
N
M
M 
11111 S
k
k
mSkmkq
E
O
OE 
1
1
2
2
2
1
22
M
m
N
M
m
N
m
S
k
k
m
E
O



Почему хомяк всё время ест?

32. Человек-паук реален?

33. Человек-паук реален?

34. Несколько тысяч нановолосков на
конце каждой лапки
Человек-паук реален?

35. Человек-паук реален?

36. в
б
а
+- +-
+-
Как молекулы притягиваются друг к другу?

37. Как слышат лилипуты?

38. Как видят лилипуты?

39. Как видят лилипуты?
D
разрешениеуглмин мин

 ,..
для Гулливера мин = 0,004 град
для лилипутов мин =0,05 град

40. Как видят лилипуты?
Лилипутам читать сложно !!!

41. Найди докладчика на фото 1955 года