Конспект уроку

1. 74
Урок 21/6
ТЕМА. Наноматеріали
Мета уроку: сформувати уявлення про наноматеріали, їхню різно-
манітність, технології отримання та унікальні властивості.
Тип уроку: урок засвоєння нових знань.
Обладнання: фотографії, відеофрагменти.
ХІД УРОКА
I. ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ
ІІ. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ
ІII. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
На сьогодні основними галузями нанотехнологій є: наномате-
ріали, наноінструменти, наноелектроніка, мікроелектромеханічні
системи і нанобіотехнології.
Завдання нанотехнологій:
 отримання наноматеріалів із заданою структурою і властивос-
тями;
 застосування наноматеріалів за певним призначенням із ура-
хуванням їхньої структури і властивостей;
 контроль (дослідження) структури і властивостей наноматеріа-
лів як в ході їх отримання, так і вході їх застосування.
Упродовж всього розвитку науки учені зверталися до питан-
ня про потенційну важливість маленьких частинок. Наприклад,
1661 року Р. Бойль описує «крихітні маси, або кластери, яким
важко швидко розкластися на складові їх частинки». 1857 року
М. Фарадей публікує статтю у «Філософських працях Королів-
ського товариства», у якій він зробив спробу пояснити, як мета-
леві включення у вітражному склі впливають на його колір. Проте
відповідь на це питання зміг дати Г. Мі в роботі, опублікованій
1908 року в «Анналах фізики». Принципове значення малорозмір-
них об’єктів було підкреслене Фейманом 1959 року, коли до ува-
ги слухачів була запропонована його лекція під час обговорення
проблем мініатюризації «Внизу повним-повно місця» [R. Feinman.
There’s plenty of room at the bottom. An invitation to enter а new field of physics.
In H. D. Hilbert (ed.), Miniaturization, Reinhold, N-Y., 1961]. Підкреслювалася

2. 75Тема 1.2. Теплові явища (2 частина)
актуальність робіт в галузі стискування інформації, створення мі-
ніатюрних комп’ютерів, оволодіння молекулярною архітектурою.
Частину ідей Феймана розвинув Дрекслер, який видав кни-
гу «Машины созидания: пришествие эры нанотехологии» [K. Eric
Drexler, Engines of creation. The Coming Era of Nanotechnology, pp. 299, Anchor
BooksDouble-day , New York, 1986]. Ґрунтуючись на біологічних моделях,
автор ввів уявлення про молекулярні робототехнічні машини. На
противагу традиційному технологічному підходу «згори-вниз» сто-
совно мініатюризації інтегральних схем, було звернено увагу на стра-
тегію «знизу-вгору», маючи на увазі поатомну і помолекулярну збір-
ку, про що також згадував Фейман. Проте тільки після появи у 80-ті
роки XX ст. відповідних методів формування наноструктур було ре-
алізовано спосіб отримання малих металевих кластерів. 1980 року
були проведені дослідження кластерів, що містять менше 100 атомів.
Перспективи використання нанотехнологій
Використання можливостей нанотехнологій може вже в не-
далекій перспективі принести різке збільшення вартості валового
внутрішнього продукту і забезпечити значний економічний ефект
в інших базових галузях економіки.
 У машинобудуванні — збільшення ресурсу різальних і оброблю-
вальних інструментів за допомогою спеціальних покриттів
і емульсій.
 В автомобільній промисловості — за рахунок застосування на-
номатеріалів, точнішого обробляння і відновлення поверхонь
можна досягти значного (до 1,5–4 разів) збільшення ресурсу
роботи автотранспорту.
 В електроніці і оптоелектроніці — розширення можливостей за
рахунок застосування малошумливих СВЧ-транзисторів на
основі наноструктур і використання фотоприймачів та інжек-
ційних лазерів на структурах з квантовими точками.
 В інформатиці — багатократне підвищення продуктивності сис-
тем передання, обробляння й зберігання інформації, а також
створення нової архітектури високопродуктивних пристро-
їв з наближенням можливостей обчислювальних систем до
властивостей об’єктів живої природи з елементами інтелекту.
 В енергетиці (зокрема атомній) наноматеріали використову-
ють для вдосконалення технології створення паливних і кон-
струкційних елементів, підвищення ефективності обладнання
й розвитку альтернативної енергетики (адсорбція і зберігання
водню на основі вуглецевих наноструктур, збільшення у де-
кілька разів ефективності сонячних батарей на основі процесів

3. 76 Уроки фізики. 8 клас. Розділ 1. Теплові явища
накопичення та енергоперенесення в неорганічних і орга-
нічних матеріалах з наношаровою і кластерно-фрактальною
структурою, розробляння електродів з розвиненою поверхнею
для водневої енергетики на основі трекових мембран).
 У сільському господарстві застосування нанопрепаратів стероїд-
ного ряду, суміщених з бактеріородопсином, показало істотне
(в середньому 1,5–2 рази) збільшення врожайності практично
всіх продовольчих (картопля, зернові, овочеві, плодово-ягідні)
і технічних (бавовна, льон) культур, підвищення їхньої стій-
кості до несприятливих погодних умов.
 В охороні здоров’я нанотехнології забезпечують розробляння но-
вих ліків, створення високоефективних нанопрепаративных
форм і способів доправлення лікарських засобів до осередка
захворювання.
 В екології перспективними напрямами є використання фільтрів
і мембран на основі наноматеріалів для очищення води і пові-
тря, опріснення морської води, а також використання різних
сенсорів для швидкого біохімічного визначення хімічної і біо-
логічної дій, синтез нових екологічно чистих матеріалів, біо-
сумісних і биодеградуйованих полімерів, створення нових ме-
тодів утилізації і переробляння відходів.
 У військовій промисловості останнім часом нанотехнології широ-
ко використовують під час виготовлення розвідувальних і бо-
йових пристроїв.
Існує два основних підходи до нановиробництва: або згори-
вниз, або знизу-вгору. Технологія згори-вниз полягає у подрібнен-
ні матеріалу, що має великі розміри (масивний матеріал), до нано-
розмірних частинок. За підходу знизу-вгору продукти нановироб-
ництва створюють шляхом вирощування (створення) їх з атомного
і молекулярного масштабу.
 Наноматеріали (НМ) — це дисперсні і масивні матеріали, що міс-
тять структурні елементи (зерна, кристаліти, блоки, кластери), ге-
ометричні розміри яких бодай в одному вимірі не перевищують 100 нм
і мають якісно нові властивості, функціональні та експлуатаційні
характеристики.
Об’єкти розмірами в межах 1–100 нм прийнято вважати
нанооб’єктами, але такі обмеження є досить умовними. При цьому
такі розміри можуть стосуватися як всього зразка (нанооб’єктом
виступає увесь зразок), так і його структурних елементів (нано-
об’єктом виступає його структура). Геометричні розміри деяких
речовин подано в таблиці та рис. 16.

4. 77Тема 1.2. Теплові явища (2 частина)
Геометричні розміри деяких тіл
Приклад Геометричні розміри
Наносвіт Атом Гідрогену 0,18 нм
Переріз молекули ДНК 2 нм
Довжина видимого світу 400–700 нм
Мікросвіт Пил 800 нм
Еритроцит (діаметр) 7,2 мкм
Макросвіт Товщина компакт-диска 1,2 мм
Комахи 4–10 мм
×1000
×1000
ДНК
діаметр 2,5 нм
бактерія
довжина 2,5 мкм
крапля дощу
діаметр 2,5 мм
Рис. 16
Основні переваги нанооб’єктів та наноматеріалів полягають
у тому, що через малі розміри в них проявляються нові особливі
властивості, які не характерні для цих речовин у масивному стані.
Класифікація за розміром. За розмірною ознакою нанооб’єкти
поділяють на три типи — квазі-нульмірні (0D), квазі-одномірні (1D),
двовимірні (2D).
Нанооб’єкти квазі-нульмірні (0D) — це наночастинки (кластери,
колоїди, нанокристали і фулерени), що містять від декількох де-
сятків до декількох тисяч атомів, згрупованих в зв’язки або ан-
самблі у формі клітини. У цьому випадку частинка має нанометро-
ві розміри за всіма трьома напрямками.
Наночастинка — це квазі-нульмірний нанооб’єкт, у якого усі
характерні лінійні розміри мають один порядок величини. За-
звичай наночастинки мають сферичну форму і, якщо вони мають

5. 78 Уроки фізики. 8 клас. Розділ 1. Теплові явища
яскраво виражене упорядковане розташування атомів (чи іонів),
то їх називають нанокристалітами. Наночастинки з вираженою
дискретністю енергетичних рівнів часто називають «квантовими
точками» або «штучними атомами», найчастіше вони мають склад
типових напівпровідникових матеріалів.
Нанооб’єкти квазі-одномірні (1D) — вуглецеві нанотрубки і нано-
волокна, нанострижні, нанодроти, тобто циліндричні об’єкти з од-
ним виміром в декілька мікрон і двома нанометровими. У цьому
випадку один характерний розмір об’єкта принаймні на порядок
перевищує два інші.
Нанооб’єкти двовимірні (2D) — покриття або плівки завтовшки
в декілька нанометрів на поверхні масивного матеріалу (підклад-
ці). У цьому випадку тільки один вимір — товщина має наноме-
трові розміри, два інших є макроскопічними.
Основні терміни
 Наночастинками називають частинки, розмір яких менше 100 нм. На-
ночастинки містять 108
або меншу кількість атомів, і їхні власти-
вості відрізняються від властивостей об’ємної речовини, що утворе-
на з таких самих атомів.
Наночастинки, розмір яких менше 5–10 нм, називають нано-
кластерами. Слово «кластер» утворилося від англ. сluster — скуп-
чення, китиця. Зазвичай в нанокластері міститься до 1000 атомів.
Фуллерени — кластери із понад 40 атомів Карбону, кулеподібні
за формою каркасні структури, що нагадують футбольний м’яч.
Фуллерени дістали свою назву на честь архітектора Фуллера, який
придумав подібні структури для використання їх в архітектурі.
1991 року були виявлені довгі вуглецеві структури, що дістали
назву нанотрубок.
Нанопористими речовинами є пористі речовини з нанометровим
розміром пір. Розміри нанопір коливаються від 1 до 100 нм. Під
час зменшення пір у наноматеріалів з’являються нові властивості
до фільтрації і сорбції різних хімічних елементів.
Нанодисперсії — системи, що утворені з рідкої фази з рівномір-
но розчиненими в ній наночастинками. Сьогодні нанодисперсії
в основному застосовують у медицині і косметиці.
Плівки, або шари, зібрані з напівпровідникових матеріа-
лів, називають гетероструктурами. Найтонша плівка утворена
з одного атомного шару речовини, нанесеної на тверду або рід-
ку поверхню. Такі плівки називають плівками Ленгмюра–Бло-
джетта. Напівпровідникові гетероструктури використовують для

6. 79Тема 1.2. Теплові явища (2 частина)
створення яскравих світлодіодів, лазерів та інших напівпровід-
никових приладів сучасної мікроелектроніки.
IV. ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Що таке нано?
А Одна мільйонна;
Б одна мільярдна;
В одна десята.
2. Карбон — це:
А вуглепластик;
Б пластик;
В пластилін.
3. Першим заговорив про нано:
А Архімед;
Б Фейнман;
В Пулюй.
4. За рахунок нанотехнологій у природі реалізується:
А цикл цвітіння пасльонових;
Б ефект лотоса;
В фотосинтез.
5. Слово «фуллерен» походить від...:
А грецького «яйце»;
Б клингонського «м’яч»;
В прізвища архітектора.
6. До наноматеріалів належать об’єкти, розміри яких коливають-
ся в інтервалі:
А від 1 до 100 нм;
Б від 4 до 500 нм;
В від 1 см до 1 м;
Г від 1 мм до 1 см.
7. Різновидом наноматеріалів є:
А вуглецева нанотрубка;
Б фуллерен;
В фуллерит;
Г ліпосоми.
V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ
1 [26]: вивчити § 10 (с. 47–48), вивчити за конспектом.
2 Підготувати матеріали до захисту проекту «Наноматеріали: су-
часність і майбутнє» (захист відбудеться на уроці № 31, матері-
ал для підготовки до проекту розміщено на сайті вчителя).