Преподавание нанотехнологий в средней школе .(8-11классы)

 Введение

Прогресс не стоит на месте, и с каждым десятилетием общество получает новую волну технического прогресса. Одно из главных на сегодняшний день направлений прогресса - это нанотехнологии. Отцом нанотехнологии считают одного из самых знаменитых физиков нашего времени, лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана, которого иногда сравнивают по широте и ясности предвидения с Леонардо да Винчи. Выступая 29 декабря 1959 года перед американским физическим обществом ( лекция называлась “Есть много места там внизу. Приглашение в новый мир физики”, он высказал мысль, что “принципы физики… не говорят о невозможности манипулирования веществом на уровне атома”. Нанотехнологии  проявляются везде: в медицине, в досуге (телевидение, информационные носители) и т.д. В работе рассмотрим применение нанотехнологий в военном деле. Развитию военного комплекса в нашей стране всегда уделялось огромное внимание. Еще в годы СССР создавались лучшие образцы военной техники для своего времени. Они доказали это на полях сражений Второй Мировой Войны и в годы противостояния СССР и США. Лучшие образцы военной техники покрыли себя неувядаемой славой – это танк Т­-34, штурмовик ИЛ-2, гвардейские минометы Катюша, автомат Калашникова, наши баллистические и космические ракеты, орбитальные станции и т.д. Достижения таких высот в технике было возможно благодаря тому, что Советское правительство уделяло огромное внимание комплексному развитию образования в СССР, подготовке инженерных кадров для промышленности, но самое главное развитию фундаментальных направлений в науке: физике, химии, механике. Все это смогло дать хорошие результаты в создании новейших образцов военной техники в сжатые сроки в условиях Мировой войны. 

Но сейчас «война» идет на другом фланге науки, которая выдвигает новые технологии, материалы и их свойства. Также особое внимание теперь уделяется экипировке солдат: легкие и прочные бронежилеты,приборы ночного видения, ультрасовременные приборы связи и навигации, новые способы оказания медицинской помощи, новые технологии в снабжении солдат. Открыть новое поле в разработке всего выше сказанного помогают нанотехнологии. 

Нанотенология – наука, которая способна изменить структуру предметов, путем изменения их молекулярного строения. Углерод – один из главных составляющих всего живого – является  рабочим материалом для ученых работающих с наноматериалами. Другой стороной нанотехнологии является создание образцов приборов, устройств или их элементов крайне малых размеров, размер одной наночастици 10^-9, это дает возможность создавать маленькие самолеты- разведчики, приборы связи и наблюдения, новые медицинские приборы.

Цель работы – показать все стороны развития наноотрасли в военном комплексе не только в нашей стране, но и за рубежом.
Задачи: рассказать, что из себя представляют нанотехнологии, каково их применение в военном деле, каковы перспективы развития этого направления. 

Виды нанометериалов и методы их изучения.

Высокотехнологичная война будет беспрецедентно быстрой и разрушительной

Освоение и внедрение нанотехнологий называют третьей научно-технической революцией. Благодаря такому прорыву человек сможет создавать новый мир по своему желанию, даже «конструировать» живую материю, основанную на саморганизации. В будущем нанороботы будут способны к самовоспроизведению (невольно вспомнишь писателей-фантастов, которые предсказывали выход машин из-под контроля их создателей, что грозило уничтожением человечества). Однако все это дело отдаленного будущего.


Нано — одна миллиардная часть единого целого. Дольная приставка  означающая множитель 10⁻⁹ (одна миллиардная). 

Введена в обращение в 1960 году. Происходит от др.-греч. νᾶνος, nanos — «гном, карлик» Чаще всего используется для измерения времени (наносекунда) или расстояния (нанометр) в основном в компьютерах и электронике

Наноматериалы

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

К современным наноматериалам относятся:

 Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен  — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5×103 Вт·м−1·К−1 соответственно). Высокая подвижность  носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.Основной из существующих в настоящее время способов получения графена, в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

 Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

Нанокристаллы - или кристалл (от греч. κρύσταλλος, изначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — объект нанотехнологий на микроуровне:наночастицы, нанопорошки — объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм. Идеальный нанокристалл — это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее это математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл (кристалл) является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела. Реальный нанокристалл всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в решётке.

Аэрогель - (от лат. aer — воздух и gelatus — замороженный) — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-хполучены первые образцы аэрогеля на основе углерода. Аэрогели относятся к классу мезопористых материалов, в которых полости занимают не менее 50 % объёма. Как правило, этот процент достигает 90—99, а плотность составляет от 1 до 150 кг/м³. По структуре аэрогели представляют собой древовидную сеть из объединенных в кластеры наночастиц размером 2—5 нм и пор размерами до 100 нм. Самое легкое и твердое вещество.

Наноаккумуляторы — в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионныхаккумуляторов для электромобилей.

Методы исследования.

В силу того, что нанотехнология — междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

 Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска.

Костюм Скорпиона

Практическое применение нанотехнологий, как и всяких новинок, первыми ищут военные. Новая техника, уверены ученые в погонах, в корне изменит характер боевых действий – война станет быстрой и разрушительной.

Первыми изобретателями нанооружия стали американцы. По данным Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ) США, в 2006 году в Афганистане были испытаны системы слежения за передвижением войск союзников НАТО, чтобы координировать их действия. А эксперты Института глобального климата и экологии «Росгидромета» говорят, что нанооружие как разновидность климатического оружия могло быть испытано США еще во Вьетнаме в начале 70-х годов прошлого века – тогда там искусственно вызывались муссонные дожди.

В России первые наноразработки тоже были связаны с оружием, но долгое время они оставались теоретическими. В 90-е годы, когда сворачивались фундаментальные исследования, наноразработки были приостановлены.

Недавно принятая государственная программа развития нанотехнологий предусматривает так называемый французский вариант внедрения – за счет создания государственных корпораций (в отличие от американского, где ставка сделана на частный бизнес).

Мозговым и управляющим центром отечественных исследований в новой области станет корпорация «Роснанотех», которая по капитализации, как обещает первый вице-премьер Сергей Иванов, может превзойти «Газпром».

Представители наноцентров Московского энергетического института и Российского научного центра «Курчатовский институт» не скрывают: вектор развития нанотехнологий – оборона. Среди других приоритетов охрана государственной границы, защита от техногенных катастроф.

К числу новых доктрин в военном деле относятся так же принципиально иное отношение к экипировке солдата будущего. Проанализировав военные операции в Афганистане и Ираке и проведя ряд консультаций с ведущими учеными США, руководство американской армии сформулировала задачи “Избежать потери в живой силе” как одну из основных военно-научных исследованиях. Речь идет о костюме человека работающего в экстремальных условиях ( солдата, пожарника, спасателя, космонавта и т.д.) во всех случаях костюм должен обеспечить механическую, химическую, радиационную, биологическую защиту, связь с центром и другими членами группы и при этом быть достаточно легким и удобным например, вес костюма американского солдата во время войны в Ираке был 48кг, для обычного пехотинца этот вес доходит до 60кг, а костюм солдата 2010 года стал массой 22кг. Начиная с 90 годов 20 века во всех странах разрабатываются проекты обмундирования солдата будущего. США является лидером подобных разработок. Ряд разработок военного снаряжения, принятых в армии России не уступают зарубежным и даже их превосходят. Осуществляется федеральная программа “Боец 21 века” по которой к 2015 году будет создан Российский вариант костюма солдата будущего. Одна из основных деталей костюма солдата будущего- бронежилет. Бронежилет будет иметь толщину всего несколько миллиметров и создать его предполагается на основе полиуретановых волокон диаметром около 100 нанометров, близких по структуре к паутине, но только более легких и гибких, сочетание гибкости с необходимой жесткостью достигается созданием композиционного материала: к определенным местам волокон присоединяются наночастицы, объединяя волокна в прочную сетку. Большинство необходимого оборудования будет интегрировано в сам костюм: между волокнами основной ткани будут вплетены разнообразные “умные” наноструктуры, позволяющие распознавать химические и биологические токсины, реагировать на удар или кровотечение меньше чем за секунду, поддерживать нормальную температуру тела. Характерная для композиционных материалов многофункциональность достигнет фантастического развития: в ходе экспериментов исследователи из Израильской компании ApNano использовали сверхпрочный материал из дисульфида вольфрама, этот образец выдерживает попадания пули движущийся со скоростью 1,5 км/c, и нагрузки до 350 тонн на квадратный сантиметр, что соответствует приблизительной нагрузке, развиваемой четырьмя дизельными локомотивами на область размером с человеческий ноготь. Кстати ApNano проводило эксперименты с дисульфидом титана, изделия на основе которого оказались еще более прочными и легкими. На 11 международной выставке средств обеспечения безопасности государства Научный исследовательский институт стали ( Москва ) и Институт прикладных нанотехнологий (Зеленоград ) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы “жидкой” брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов. Создание “жидкой”,брони ,заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фтора с наночастицами оксида корунда. Эти бронежилеты способны достаточно эффективно защитить человека от попадания пули и удара ножом. С учетом относительной простоты изготовления и малого веса таких материалов они уже сейчас пригодны для применения в качестве средств защиты полицейских. Следующим свойством которым должен обладать костюм солдата является функция экзоскелета. Экзоскелет- это специальные устройства, предназначенные для усиления силовых и защитных физических  характеристик человека. В начале 21 века множество организаций заинтересовались перспективами экзоскелетов, например экзоскелет HAL-5 созданный в университете Цукубы. Планируется, что костюм солдата будущего будет включать в себя мягкий экзоскелет. Основой такого экзоскелета и искусственных мышц должны стать морфодифферентные элементы: это углеродные структуры: нанотрубки, фулерены или графен, представляются как наиболее перспективными. Уже сейчас применение экзоскелетов позволяет повысить физические характеристики человека на 300% от изначальных. Костюм солдата будущего должен обладать невидимостью, чтобы сделать объект невидимым надо, что бы свет не отражался от объекта и полностью обходил объект. При этом необходимо, чтобы,  наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой. Одним из первых устройств невидимок в видимом свете является разработка японского ученого Сусуму Тачи, его “плащ- невидимка” представляет собой наноматериал наделенный миниатюрными видеодатчиками и светоизлучающими  элементами.Каждый датчик,который расположен на поверхности костюма,принимает изображение,к примеру,со спины.После чего посылает видеосигнал на процессор,который выполняет функцию перенаправления этого сигнала на соответствующий участок «экрана» спереди. Материал такого костюма-это совокупность микропередатчиков и микроприемников изображения.То ,что фиксируется со спины,проецируется на переднюю часть костюма с помощью микропроцессора и наоборот.Тем самым создается эффект невидимости. Планируется,что все жизненно важные параметры солдата(пульс,энцефолограмма,температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено на шлем и на медицинский компьютер,который будет принимать решение о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата.Если,например,солдат сломает ногу, местный экзоскелет захватит ее в искусственную шину,сформированную тканью костюма. Изготовлен чип,в котором используются живые клетки печени,органа,очень чувствительного к ядам и различным вирусам. Такой чип будет использован в оборудовании солдата будущего. Получив сигнал о наличии в организме вредных веществ,чип передаст его на медицинский компьютер,  и, либо солдат сам примет соответствующие меры,либо автоматически ему будут введены нужные лекарства.

Заключение

Однако опаснее химического и биологического оружия станут невидимые виды вооружения. Они возможны благодаря наносборке и молекулярному конструированию. Главное свойство нанооружия- против него нет другой защиты,кроме нанозащиты. Пока неизвестна токсичность наноматериалов.  В связи с появлением нанотехнологий  специалисты предсказывают изменение военных доктрин и необходимость новых методов в международной системе контроля за оружием.