Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КАФЕДРА ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ.

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ РАБОТА

Тема: Новые материалы в химии и возможности их применения

Выполнил:

студент гр. ВЭ-111

Кузнецова О.В.

Проверил:

Иванкина. О.М.

Волжский, 2008г

Введение

1. Полимерные материалы

2. Синтетические ткани

3. Сохранение и замена материалов

6. Оптические материалы

Список литературы

Введение

Материалы - это вещества, из которых изготавливается различная продукция: изделия и устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и д.р. Для каждого вида продукции нужны свои материалы с вполне определенными характеристиками. К свойствам материалов всегда предъявлялись и предъявляются высокие требования.

Современные технологии позволяют производить множество разнообразных высококачественных материалов, однако проблема создания новых материалов с лучшими свойствами остается актуальной и по сей день.

При поиске нового материала с заданными свойствами важно установить его состав и структуру, а также обеспечить условия для управления ими.

В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами, например, материалы тепловых экранов для космических аппаратов, высокотемпературные сверхпроводники и т. п. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. С течением времени их число постоянно возрастает.

Многие конструкционные элементы современных самолетов изготовлены из композиционных полимерных материалов. Одни из таких материалов - кевлар по важному показателю - отношению прочность/масса - превосходит многие материалы, в том числе и самую высококачественную сталь.

1. Полимерные материалы

полимер синтетическая ткань

Пластмассы - это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы могут содержать наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Иногда употребляются другие названия пластмасс - пластики, пластические массы.

Полимеры построены из макромолекул, состоящих из многочисленных малых основных молекул - мономеров. Процесс их образования зависит от многих факторов, вариаций и комбинации которых позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами. Основные процессы образования макромолекул - полимеризация и поликонденсация.

Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером может служить АБС - полимер. В его состав входят три основных мономера: акрилонитрат (А), бутадиен (Б) и стирол (С). Первый из них обеспечивает химическую устойчивость, второй - сопротивление удару и третий - твердость и легкость термопластической обработки. Основное значение данных полимеров - замена металлов в различных конструкциях.

Наиболее перспективными материалами с высокой термостойкостью оказались ароматические и гетероароматические структуры с прочным бензольным кольцом: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200 - 400 градусов. Главные потребители термостойких пластмасс - авиационная и ракетная техника.

2. Синтетические ткани

С начала ХХ в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. К настоящему времени многообразные искусственные волокна изготавливаются в основном из 4 видов химических материалов: целлюлозы (вискозы), полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров.

Объем производства синтетических материалов для изготовителя одежды определяется потребительским спросом, в котором за последние годы наметилась тенденция к снижению. В связи с этим одна из важнейших задач химиков - приблизить по свойствам и качеству искусственные материалы к естественным.

Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нити возможно тоньше.

Появились и пустотелые волокна. Они лучше противостоят холоду. Если такое волокно в сечении не круглое, а овальное, то ткань из него легче удаляет с кожи пот.

Одна из разновидностей синтетики - кевлар. Он в 5 раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для изготовления пуленепробиваемых курток. Излюбленный материал модельеров - эластик - удобен не только в спортивной одежде, но и повседневных костюмах. Существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет. Одежда из нее - хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице.

Оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань или пенопласт - массу.

Современные ткани часто состоят из несколько слоев, например, из металлической фольги, пряжи и волокна, удаляющие пот.

Новейшие ткани открыли дорогу современной технологии изготовления одежды.

3. Замена материалов

На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в 2 случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал - заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам - заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы.

Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления. Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: одна тонна пластмасс в машиностроении экономит 5 - 6 тонн металлов. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки, повышается производительность труда на 300-1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс - на 90-95%.

Замена древесины началась в первой половине 20 века. Прежде всего, появилась фанера, а позднее - древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т.п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.

В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.

4. Сверхпрочные и термостойкие материалы

Ассортимент материалов различного назначения постоянно расширяется. Последнее десятилетие создана естественно - научная база для разработки принципиально новых материалов с заданными свойствами. Например, сталь, содержащая 18 % никеля, 8% кобальта и 3 - 5% молибдена, отличается высокой прочностью - отношение прочности к плотности для нее в несколько раз больше, чем для некоторых алюминиевых и титановых сплавов. Преимущественная область ее применения - авиационная и ракетная техника.

Продолжается поиск новых высокопрочных алюминиевых сплавов. Плотность их сравнительно не велика и применяются они при относительно не высоких температурах - примерно до 320 градусов. Для высокотемпературных условий подходят титановые сплавы, обладающие высокой коррозионной стойкостью.

Идет дальнейшее развитие порошковой металлургии. Прессование металлических и других порошков - один из перспективных способов повышения прочности и улучшения других свойств прессуемых материалов.

В последние десятилетие большое внимание уделяется разработке композиционных материалов, т.е. материалов, состоящих из компонентов с различными свойствами. В таких материалах содержится основа, в которой распределены усиливающие элементы: волокна, частицы и т.п. Композиты могут включать стекло, металл, дерево, искусственные вещества, в том числе и пластмассы. Большое число возможных комбинаций компонентов позволяет получить разнообразные композиционные материалы.

При комбинировании поли - и монокристаллических нитей с полимерными матрицами (полиэфирами, фенольными и эпоксидными смолами) получаются материалы, которые по прочности не уступают, стали, но легче ее в 4 - 5 раз.

Материалом будущего станет такой, который будет не только сверхпрочным, но и стойким при длительном воздействии агрессивной среды.

Создание термостойких материалов - одна из важнейших задач развития современных химических технологий.

К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов. К ним относятся: имплантация ионов, на какой - либо поверхности; плазменный синтез; плавление и кристаллизация в отсутствии гравитации; напыление на поликристаллические, аморфные и кристаллические поверхности с помощью молекулярных пучков; химическая конденсация из газовой фазы в тлеющем плазменном разряде и др.

С применением современных технологий получены, например, нитрид кремния и силицид вольфрама - термостойкие материала для микроэлектроники. Нитрид кремния обладает превосходным электроизолирующим свойствами даже при небольшой толщине слоя-менее 0,2мкм. Силицид вольфрама отличается весьма малым электрическим сопротивлением. Данные материалы в виде тонкой пленки напыляются на элементы интегральных схем. Напыление производится методом плазменного осаждения на менее термостойкую подложку без заметного изменения ее свойств.

Представляет практический интерес способ получения новых керамических материалов для изготовления, например, цельнокерамического блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Данный способ заключается в отливке кремнийсодержащего полимера в форму заданной конфигурации с последующим нагреванием, при котором полимер превращается в термостойкий и прочный карбид или нитрид кремния.

Новые технологии позволяют синтезировать более термостойкие материалы.

5. Материалы с необычными свойствами

Нитинол представляет собой никель - титановый сплав, обладающий необычным свойством - сохранять первоначальную форму. Поэтому иногда его называют запоминающим металлом, или металлом, обладающим памятью. Нитинол способен сохранять первоначальную форму даже после холодного формирования и термической обработки. Для него характерны сверх - и термоупругость, высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

Поначалу нитиноловые изделия служили преимуществом для военных целей - с их помощью в боевых самолетах соединяли различные трубопроводы, доступ к которым ограничен.

Уникальную конструкцию с помощью нитиноловых муфт удалость собрать лет шесть назад в космосе. Монтаж сравнительно длинной мачты для крепления двигателя традиционными методами потребовал бы длительного пребывания космонавтов в космосе, что могло подвергнуть его чрезмерному космическому облучению. Нитиловые муфты позволили быстро и легко собрать 14-метровую мачту.

Наибольшую пользу, может принести применение нитиноловых муфт не для решения разовых космических и узко направленных военных задач, а для народнохозяйственных целей. Это газопроводы, нефтепроводы, бензопроводы, водопроводы. Газо-, нефте - и бензопроводы, заполненные легковоспламеняющимися соответственно газом, нефтью и бензином, представляют повышенную пожароопасность, в связи, с чем при ремонте нельзя применять их сварку, и все восстановительные работы приходится выполнять с помощью резьбовых соединений и крепежного материала. Данная задача гораздо упрощается с применением коррозионностойких нитиноловых муфт, которые срабатывают при пропускании через них относительно небольшого тока, при этом не требуется открытого огня.

Нитиноловые фиксаторы, муфты, спирали находят применение в медицине. С помощью нитиноловых фиксаторов эффективнее соединяются сломанные части костей. Благодаря памяти формы нитиловая муфта лучше фиксируется в десне, предохраняя места сочленений от перегрузок. Нитинол, обладая способностью упруго деформироваться на 8-10%, плавно воспринимает нагрузку, подобно живому зубу, и в результате меньше травмирует десну. Нитиноловая спираль способна восстановить сечение пораженного той или иной болезнью сосуда в организме человека.

Вне всякого сомнения, нитинол - перспективный материал, и в ближайшем будущем станут, известны многие другие примеры успешного его применения.

Жидкие кристаллы - это жидкости, обладающие, как и кристаллы, анизотропией свойств, связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидкого кристалла от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике (в температурных датчиках, индикаторных устройствах, модуляторах света и т.п.). Сегодня на мировом рынке дисплейных технологий жидкокристаллические устройства уступают разве что кинескопам, а по экономичности потребления энергии в дисплеях с относительно небольшой площадью экрана они не имеют конкурентов.

Жидкокристаллическое вещество состоит из органических молекул с преимущественной упорядоченной ориентацией в одном или двух направлениях. Такое вещество обладает текучестью как жидкость, и кристаллическая упорядоченность молекул подтверждается его оптическими свойствами. Различают три основных типа жидких кристаллов: нематические, смектические и холестерические.

Одно из перспективных направлений в химии жидких кристаллов - реализации данных структур при синтезе полимеров. Молекулярная упорядоченность, характерная для нематических жидких кристаллов. Именно такой принцип лежит в основе производства искусственных волокон с исключительно высоким пределом прочности на растяжение, которые могут заменить материалы для изготовления фюзеляжей самолетов, бронежилетов и т.п.

6. Оптические материалы

На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.

Совершенствование технологий изготовление кварцевых нитей позволило менее чем за десятилетний срок примерно в 100 раз сократить потери светового потока. Из новых оптических материалов, например, таких, как фторидные стекла, можно получить еще более прозрачные волокна. В отличие от обычных стекол, состоящих из смеси оксидов металлов, фторидные стекла - это смесь фторидов металлов.

Волоконная оптика открывает чрезвычайно большие возможности для передачи большого объема информации на большие расстояния. Уже сегодня многие телефонные станции, телевидение и т.п. с успехом пользуются волоконно-оптической связью.

Современная химическая технология сыграла важную роль не только в разработке новых оптических материалов - оптических волокон, но и в создании материалов для оптических устройств для переключения, усиления и хранения оптических сигналов. Оптические устройства оперируют в новых временных масштабах обработки световых сигналов. В современных оптических устройствах используются ниобат лития и арсенид галлия-алюминия.

Экспериментальные исследования показывают, что органические стереоизомеры, жидкие кристаллы и полиацетилены обладают лучшими оптическими свойства, чем ниобат лития и является весьма перспективными материалами для новых оптических устройств.

7. Материалы с электрическими свойствами

В начале такими материалами служили преимущественно монокристаллы кремния и германия с содержанием в них относительно небольшой концентрации примесей. Через некоторое время в центре внимания разработчиков оказались монокристаллы арсенида гелия, выращенные на подложках из монокристаллического фосфида индия. Современная технология позволяет получить несколько слоев арсенида галлия различной толщины с различным содержанием примесей. Из арсенид - галлиевых материалов изготавливают рабочие узлы лазеров и лазерных дисплейных устройств, применяемых в длинноволновых оптических линиях связи.

В процессе разработке новых полупроводниковых материалов были неожиданно открыты полупроводниковые свойства аморфного (некристаллического) кремния.

К настоящему времени открыты совершенно новые группы материалов, обладающих электрической проводимостью. Физические свойства их в значительной степени зависят от локальной структуры и молекулярной связей. Некоторые из таких материалов относятся к неорганическим, другие - к органическим соединениям.

В полимерных проводниках большие плоские молекулы служат элементами проводящего столбика и образуют металломакроциклы, соединяющиеся друг с другом посредством ковалентно связанных атомов кислорода. Такая химическая сконструированная молекула обладает электрической проводимостью, и это - настоящая сенсация. Атомы металла и окружающей его в плоском макроцикле группы можно заменить и модифицировать различными способами. В результате можно получит полимер с заданными электропроводящими свойствами.

Технология изготовления полимерных проводников уже освоена, и число разновидностей таких проводников становится все больше. Под воздействием определенных регентов полипарафенилен, парафениленсульфид, полипиррол и другие полимеры приобретают электропроводящие свойства.

В некоторых твердых материалах с ионной подвижной структурой подвижность ионов сравнивается с подвижностью ионов в жидкости. Подобные материалы используются в устройствах памяти, дисплеях, датчиках, а также в качестве электролитов и электродов в батареях.

При создании современной микроэлектронной технике и высокочувствительной аппаратуры используются разнообразные материалы с анизотропными электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Такими свойствами обладают ионные кристаллы, органические молекулярные кристаллы, полупроводниковые и многие другие материалы.

Современная технология позволяет получить материал в виде стекла, но не с диэлектрическими свойствами, а с металлической проводимостью или полупроводниковыми свойствами. Такая технология основана на быстром замораживании жидкости, конденсации газовой фазы на очень холодную поверхность или имплантации ионов на поверхность твердого вещества.

Таким образом, с применением современных технологий можно получит новые материалы с необычным комплексом свойств.

8. Высокотемпературные сверхпроводники

Сверхпроводники - это вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах ниже критической.

Сверхпроводящим свойством обладают многие вещества: около половины металлов (например, никель-титановый сплав с критической температурой 9,8 К), несколько сотен сплавов и интерметаллические соединения.

Сверхпроводимость обнаружена ив полимерных веществах. Все это свидетельствует о том, что сверхпроводящим свойством обладают многие минералы, но их критическая температура долгое время оставалась сравнительно низкой.

В конце 1986г. было сделано важное открытие: обнаружено, что некоторые твердые соединения на основе меди и кислорода переходят в сверхпроводимое состояние при температуре выше 90К. Данное явление называется высокотемпературной сверхпроводимостью.

Применение хладагенов, даже таких, как жидкий ксенон, неизбежно приводит к усложнению конструкций, включающих сверхпроводящие материалы. В этом заключается одна из причин сдерживания широкого внедрения высокотемпературных сверхпроводящих материалов.

Высокотемпературная проводимость, открытая свыше десяти лет назад, обещала массу заманчивых перспектив как в области фундаментальной науке, так и в решении чисто технических задач. Усилия ведущих исследователей мира были направлены на получение все новых материалов и исследование их структуры. Исследования продолжаются, ни одно из них пока не смогло решить проблему сверхпроводимости в целом, но каждое помогает понять ее. Обнаружено немало важного и интересного в кристаллической структуре вещества.

9. Материалы диссоциации металлоорганических соединений

Результаты экспериментальных исследований последнего времени показали, что при термической диссоциации ряда металлоорганических соединений получаются чистые металлы различной твердой формы, обладающие уникальными свойствами. К таким металлоорганическим соединениям относятся:

Карбонилы - W(СО) , Мо(СО) , Fe(СО) , Ni (CO) ,

Ацетилацетонаты металлов -

Дикарбонилацетонат родия -

Данным соединениям в газообразном состоянии присуще высокая летучесть. Они разлагаются при нагревании до 100-150С. В результате термической диссоциации можно получить чистую металлическую фазу в различных конденсированных формах: высокодисперсные порошки, металлические вискерсы, беспористые тонкопленочные материалы, ячеистые металлоны, металлические волокна и бумага.

Высоко дисперсные порошки состоят из частиц малых размеров - до 1 - 3 мкм и используются для производства металлокерамики - композиции металла с оксидами, нитридами, боридами, получаемых методом порошковой металлургии.

Металлические викселя представляют собой нитевидные кристаллы диаметром 0,5 - 2,0мкм и длиной 5 - 50 мкм. Металлические вискерсы представляют практический интерес для синтеза новых композиционных материалов с металлической или пластмассовой матрицей.

Беспористые тонкопленочные материалы отличаются высокой плотностью упаковки атомов. По величине отражения света данный материал приближается к серебру.

Ячеистые металлы образуются при осаждении металла в результате проникновения паров металлоорганических соединений в поры любого материала. Таким способом формируется ячеистая металлическая структура.

10. Тонкопленочные материалы для накопителей информации

Любая электронно - вычислительная машина, в том числе и персональный компьютер, содержит накопитель информации - запоминающее устройство, способное накапливать и хранить большой объем информации.

Изготовление современных магнитных накопителей большой емкости основано на применении тонкопленочных материалов. Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствовании технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз.

Запись с высокой поверхностной плотностью осуществляется на носитель, рабочий слой которого формируется из тонкопленочного кобальтсодержащего материала.

Высокую плотность записи можно реализовать только с помощью преобразователей, тонкопленочный материал магнитопровода которых характеризуется большой магнитной индукции насыщения и высокой магнитной проницаемостью. Для воспроизведения записанной с высокой плотностью информации применяется высокочувствительный тонкопленочный элемент, электрическое сопротивление изменяется в магнитном поле. Такой элемент называется магниторезистивным. Он напыляется из высокопроницаемого магнитного материала, например, пермаллоя.

Таким образом, с применением тонкопленочных магнитных материалов при изготовлении накопителей информации большой емкости уже реализована довольно высокая плотность записи информации. При модернизации таких накопителей и внедрении новых материалов следует ожидать дальнейшего увеличения информационной плотности, что весьма важно для развития современных технических средств записи, накопления и хранения информации.

Список литературы

1. С.Х. Карпенков. Концепции современного естествознания. Москва. 2001г.

2. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы. - Высшая школа, 1985. - 357 с.

3. Фурмер И.Э. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1987. - 334 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. -- М.: Машиностроение, 1990

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Новые направления развития химии полимеров, синтез полимеров с заданными свойствами. Образование упорядоченных микроструктур в сополимерах блочной и статистической структуры. Результаты экспериментальных исследований, перспектива промышленного применения.

реферат , добавлен 03.04.2011


Характеристика биодеградируемых (биоразлагаемых) полимеров - материалов, которые разрушаются в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Свойства, способы получения и сферы использования биодеградируемых полимеров.

реферат , добавлен 12.05.2011


Значение использования прогрессивных видов композиционных материалов, формовочные композиционные материалы с определенными свойствами. Физико-механические свойства полибутилентерефталата, модифицированного высокодисперсной смесью железа и его оксидом.

статья , добавлен 03.03.2010


Общая характеристика нанокомпозитных материалов: анализ метафизических свойств, основные сферы применения. Рассмотрение особенностей метаматериалов, способы создания. Знакомство с физическими, электронными и фотофизическими свойствами наночастиц.

реферат , добавлен 27.09.2013


О термине "сверхчистые материалы". Методы классификации материалов особой чистоты. Получение чистых цветных металлов. Спутники цветных металлов в рудах. Ионный обмен. Применение химических методов очистки материалов взамен физических.

реферат , добавлен 27.02.2003


Химическая стойкость материалов неорганического и органического происхождения. Виды неорганических конструкционных материалов: силикатные, керамические, вяжущие материалы. Органические конструкционные материалы: пластмасс, каучук, резина, древесина.

реферат , добавлен 04.09.2011


Области применения в медицине синтетических полимеров. Материалы, применяемые для имплантации. Физиологически активные водорастворимые полимеры. Структура полиакриламидных гелей (ПААГ), используемых в медицине. Результаты клинического применения ПААГ.

реферат , добавлен 09.01.2012


Базальтопластики - полимерные композиционные материалы XXI века. Химический состав базальтовых и стеклянных нитей. Синтез полимерного антиоксиданта различного функционального назначения. Термочувствительные сополимеры. Получение композиционных покрытий.

краткое изложение , добавлен 05.04.2009


Кристаллическая структура графита и схема взаимного расположения слоев в гексагональной структуре. Классификация углеграфитовых материалов и их производство из твердых углеродистых материалов (антрацит, графит, кокс) и связующих веществ (пек, смола).

реферат , добавлен 27.04.2011


Полиэтилен, пластмассы, поролон – искусственные (синтетические) материалы, созданные человеком с помощью науки химии. Использование пластмасс для создания защитного покрова на металлических электропроводах. Материалы для изготовления защитных костюмов.

Каждый учитель хочет, чтобы его предмет вызывал глубокий интерес у школьников, чтобы ученики умели не только писать химические формулы и уравнения реакций, но и понимать химическую картину мира, умели логически мыслить, чтобы каждый урок был праздником, маленьким представлением, доставляющим радость и ученикам и учителю. Мы привыкли, что на уроке учитель рассказывает, а ученик слушает и усваивает. Слушать готовую информацию – один из самых неэффективных способов учения. Знания не могут быть перенесены из головы в голову механически (услышал – усвоил). Многим кажется, что нужно только заставить слушать ученика и дело тут же пойдет на лад. Однако ученик, как любая личность, наделен свободой воли, с которой нельзя не считаться. Поэтому нарушить этот природный закон и подчинить их себе даже ради благих целей невозможно. Желательного результата на этом пути добиться нельзя.

Отсюда следует, что необходимо сделать из ученика активного соучастника учебного процесса. Ученик может усвоить информацию только в собственной деятельности при заинтересованности предметом. Поэтому учителю нужно забыть о роли информатора, он должен исполнять роль организатора познавательной деятельности ученика.

Можно выделить различные виды деятельности по освоению нового материала учеником: материальную, материализованную и интеллектуальную. Под материальной деятельностью понимают деятельность с объектом изучения. Для химии таким объектом является вещество, т.е. материальной деятельностью на уроках химии является проведение опытов. Опыты могут проводить ученики или демонстрироваться учителем.

Материализованная деятельность – это деятельность с материальными моделями, формулами, табличным, цифровым, графическим материалом и т.д. В химии – это деятельность с материальными моделями молекул, кристаллическими решетками, химическими формулами, решение химических задач, сопоставление физических величин, характеризующих изучаемые вещества. Любая внешняя деятельность (деятельность руками) отражается в мозге, т.е. переходит во внутренний план, в интеллектуальную деятельность. Проводя опыты, составляя химические формулы и уравнения, сопоставляя цифровой материал, ученик делает выводы, систематизирует факты, устанавливает определенные взаимосвязи, проводит аналогии и т.д.

Итак, учитель должен организовать на уроке для ученика все виды учебно-познавательной деятельности. Необходимо, чтобы учебно-познавательная деятельность ученика соответствовала тому учебному материалу, который должен быть усвоен. Необходимо, чтобы в результате деятельности, ученик самостоятельно приходил к каким-либо выводам, чтобы сам для себя созидал знание.

Важнейшим принципом дидактики, является принцип самостоятельного созидания знаний, который заключается в том, что знание учеником не получается в готовом виде, а созидается им самим в результате организованной учителем определенной познавательной деятельности.

Самостоятельное открытие малейшей крупицы знания учеником доставляет ему огромное удовольствие, позволяет ощутить свои возможности, возвышает его в собственных глазах. Ученик самоутверждается как личность. Эту положительную гамму эмоций школьник хранит в памяти, стремится пережить еще и еще раз. Так возникает интерес не просто к предмету, а что более ценно – к самому процессу познания – познавательный интерес. Развитию познавательных и творческих интересов у учащихся способствуют различные виды технологий: компьютерные технологии, технология проблемного и исследовательского обучения, технология игрового обучения, использование тестов.

1. Компьютерная технология

Использование компьютера и мультимедийных технологий дают положительные результаты при объяснении нового материала, моделировании различных ситуаций, при сборе нужной информации, при оценке ЗУН и т. д., а также позволяют на практике реализовать такие методы обучения, как: деловые игры, упражнения по решению проблем, презентации и прочее. Компьютерная технология дает возможность располагать таким объемом информации, которым не владеют учителя, опирающиеся на традиционные методы обучения. В мультимедийных обучающих программах используются анимации и звуковое сопровождение, которые, воздействуя сразу на несколько информационных каналов обучаемого, усиливают восприятие, облегчают усвоение и запоминание материала. На своих уроках использую различные программы на компакт дисках, которые помогают мне для объяснения новых или повторения старых тем, закрепить и систематизировать полученные знания. Пример одного урока. Тема: “Подгруппа кислорода, характеристика. Получение кислорода”. В процессе урока использовался мультимедиа проектор, где на экране демонстрировались опыты, которые в школьной лаборатории продемонстрировать невозможно. Так же на экране проектировались несколько таблиц. Ребятам предлагалось проанализировать, сравнить и сделать вывод. Из вышесказанного приходим к выводу, что компьютерная технология повышает уровень обучения и вызывает интерес учащихся к предмету.

2. Технология проблемного обучения

Технология проблемного обучения предполагает создание под руководством учителя проблемных ситуаций и активную самостоятельную деятельность учащихся по их разрешению, в результате чего и происходит творческое овладение знаниями, навыками, умениями и развитием мыслительных способностей. Проблемные ситуации на уроке могут возникать самым неожиданным образом. Например, в 8-ом классе при изучении темы “Электроотрицательность” ученик задал вопрос: “Водород отдает электроны литию или наоборот?” Одноклассники ответили, что электроны отдает литий, так как у него радиус атома больше. Тут же другой ученик спросил: “А во что превратится тогда водород?” Мнения разделились: одни посчитали, что атом водорода, присоединяя электрон, превратился в атом гелия, так как у него стало два электрона, а другие не согласились с этим, возразив, что у гелия заряд ядра +2, а у данной частицы +1. Так что же это за частица? Возникла проблемная ситуация, которую можно разрешить, ознакомившись с понятием об ионах. Проблемную ситуацию на уроке может создать и сам учитель. Пример урока. Тема: “Простые и сложные вещества”. Учитель предоставляет ученику широкое поле деятельности: задает проблемные вопросы, предлагает из перечня различных веществ выписать отдельно простые и сложные вещества и подводит к тому, чтобы ученик сам, используя свой жизненный опыт, знания предыдущих уроков, попытался сформулировать понятие простого и сложного вещества. Ученик сам для себя созидает знания, так возникает интерес не просто к предмету, а к самому процессу познания.

3. Технология исследовательского обучения

Исследовательская деятельность школьников – это совокупность действий поискового характера, ведущих к открытию неизвестных фактов, теоретических знаний и способов деятельности. Таким путем учащиеся знакомятся с основными методами исследования в химии, овладевают умениями самостоятельно добыть новые знания, постоянно обращаясь к теории. Привлечение опорных знаний для решения проблемных ситуаций предполагает формирование и совершенствование как общеучебных, так и специальных умений учащихся (проводить химические опыты, соотносить наблюдаемые явления с изменениями состояния молекул, атомов, ионов, проводить мысленный химический эксперимент, моделировать сущность процессов и т. п.). Исследование может проводиться с целью получения новых знаний, обобщения, приобретения умений, применять полученные знания, изучения конкретных веществ, явлений, процессов. Так, при изучении темы “Соли азотной кислоты” в 9-ом классе использую элементы исследовательской работы. Исследование включает: проведение теоретического анализа; прогнозирование способов получения веществ и их свойств; составление плана экспериментальной проверки и его выполнение; формулирование вывода. Получается логическая цепочка: теоретический анализ – прогнозирование – эксперимент. Майкл Фарадей говорил: “Ни одна наука не нуждается в эксперименте в такой степени как химия. Ее основные законы, теории и выводы опираются на факты. Поэтому постоянный контроль опытом необходим.” Для систематизации получаемых знаний учащиеся заполняют таблицу:

Соли азотной кислоты

Исследовательская работа учащихся занимает на уроке больше времени, чем выполнение заданий по образцу. Однако затраты времени впоследствии компенсируются тем, что учащиеся быстро и правильно выполняют задания, могут самостоятельно изучать новый материал. Кроме того, повышается осознанность и прочность их знаний, появляется устойчивый интерес к предмету.

4. Технология игрового обучения

Интеллектуально-творческие игры (ИТИ) стимулируют развитие познавательных интересов учащихся, способствуют развитию их интеллектуально-творческих способностей, дают возможность ребятам самоутвердиться и реализовать себя в интеллектуально-творческой сфере через игру, помогают восполнить дефицит общения. ИТИ могут быть использованы не только во внеклассной и внеурочной работе, но и на уроках (при изучении нового материала, повторении пройденного, контроля знаний учащихся и т. д.)

Наиболее сложны и трудоемки деловые и ролевые игры. Проведение подобных игр позволяет достигать следующих целей: научить учащихся выделять главное в содержании учебного материала, излагать его в краткой форме; развивать навыки анализа текста, ассоциативное мышление, самостоятельность суждений, способствовать самоопределению учащихся, развивать коммуникативные способности, расширить кругозор, повторять и обобщать изученный материал. В своей практике я систематически использую игровые формы организации контроля знаний и постоянно замечаю, как это повышает интерес учащихся к изучаемому материалу и предмету в целом, как учащиеся, которые в последнее время так мало читают, вдруг начинают листать книги, справочники, энциклопедии. Так на уроках, при изучении тем, связанных с экологией, например по теме “Природные источники углеводородов и их переработка”, применяю ролевые игры с применением экспертных групп. Класс разбивается на две группы: “специалистов” и “журналистов”. Первые подбирают материал и подготавливают наглядное пособие. Вторые готовят вопросы, которые они должны задавать во время игры.

Для закрепления материалов в 8 – 9 классах использую дидактические игры: “Химические кубики”, “Химическое лото”, “Крестики-нолики”, “Найди ошибку”, “Химический бой”. Так же на внеклассных занятиях провожу зрелищные интеллектуально-творческие игры: “КВН”, “Что, где, когда”, “Звездный час”.

5. Использование тестов на уроках химии

Использование тестов на уроках химии также занимает видное место в процессе внедрения новых технологий. Что дает возможность массовой проверки знаний учащихся. Тестовая методика – универсальное средство проверки знаний, умений. Тесты являются экономной целенаправленной и индивидуальной формой контроля. Систематическая проверка знаний в виде тестов способствует прочному усвоению учебного предмета, воспитывает сознательное отношение к учебе, формирует аккуратность, трудолюбие, целеустремленность, активизирует внимание, развивает способность к анализу. При тестовом контроле обеспечиваются равные для всех обучаемых условия проверки, то есть повышается объективность проверки знаний. Этот метод вносит разнообразие в учебную работу, повышает интерес к предмету. Итоговые контрольные работы в 8 – 10 классах провожу в форме теста.

Урок-семинар 11 класс

Этот семинар, рассчитанный на 2 ч в непрофильных по отношению к химии классах, на 3 ч в общеобразовательных классах и на 4–5 часов в классах естественно-научного профиля, проводится как обобщающий в заключении школьного курса и ставит своей задачей показать учащимся роль химии как производительной силы общества.

П л а н с е м и н а р а

1. Химическая технология (определение, история возникновения и развития, роль в современном производстве, классификация процессов химического производства, задачи).

2. Биотехнология (определение, этапы становления, направления биотехнологии, области применения).

3. Нанотехнология (определение, подходы в нанотехнологии и их характеристика, наноматериалы, области применения).

Учитель (вступительное слово). Современный мир характеризуется стремительным развитием научно-технического прогресса. Помимо совершенствующейся традиционной химической технологии, бурно развиваются такие направления науки и отрасли промышленности, которые еще совсем недавно воспринимались как экзотические: биотехнология и нанотехнология. Они приобретают все большую роль в различных сферах жизни каждого человека в отдельности и общества в целом: в быту (вряд ли найдется человек, который не слышал о ГМО – генно-модифицированных организмах), в экономике, промышленности и сельском хозяйстве (подсчитано, что к 2015 г. товары и услуги, произведенные на основе нанотехнологий, будут стоить не один триллион долларов), в международных отношениях (началась мировая гонка за лидерство в области нанотехнологий, в ней сегодня преуспевают США, Япония и Китай). Россия только недавно включилась в эту гонку – принята приоритетная национальная программа по развитию нанотехнологий, на которую правительство выделяет значительные средства. Понятно, что эта область науки и производства потребует подготовки специалистов высокого класса. Очевидно, что их подготовка будет вестись на специально созданных отделениях и факультетах ведущих российских университетов. Также очевидно, что первое знакомство с био- и нанотехнологиями вам должна дать химия.

Однако начнем с химической технологии .

Химическая технология

1-й ученик. Технология – это наука о производстве. Химическая технология – один из важнейших разделов технологии, под которым понимают науку о наиболее экономичных методах и средствах переработки природного сырья в продукты потребления и промежуточные продукты для других отраслей материального производства.

Рассмотрим кратко историю возникновения и развития химической технологии. Сначала она была описательным разделом прикладной химии. Затем, в первой половине ХIХ в., химическая технология стала отдельной отраслью знаний. В 1803 г. в Российской академии наук создается кафедра химической технологии. Окончательно химическая технология становится самостоятельной научной дисциплиной в начале ХХ в., когда было разработано учение об основных процессах и аппаратах химического производства и общих закономерностях химико-технологических процессов.

Новым этапом в становлении химической технологии явилось использование в конце 60-х гг. ХХ в. идей, методов и технических средств кибернетики в химическом производстве, в результате развития которых появились математическое моделирование и компьютерные технологии для оптимизации и автоматизации химических процессов.

Второй учащийся, приготовивший сообщение о роли химической технологии как научно-производственной базы важнейших отраслей промышленности, раскрывает ее, используя схему 1.

Схема 1

Двое других учащихся рассказывают о классификации процессов химического производства. Их сообщение сопровождается демонстрацией моделей этих процессов, использующихся при изучении химии.

3-й ученик. Все многообразие процессов химического производства сводится к 5-ти группам.

1. Механические – измельчение, грохочение*, гранулирование, таблетирование, транспортирование твердых материалов, упаковка. (Демонстрация видеофрагментов и образцов продуктов этой группы химических процессов (гранул, таблеток, образцов упаковок и др.).)

2. Гидродинамические – перемещение жидкостей и газов по трубопроводам и аппаратам, пневматический транспорт, флотация, центрифугирование, осаждение, декантация, перемешивание. (Демонстрация видеофрагментов конкретных химических производств, действия центрифуги (учитель акцентирует внимание учащихся, что этот процесс широко используется и в бытовой технике – стиральных машинах, сепараторах и т.д.), флотации порошка серы, осаждение примесей, содержащихся в воде, с помощью коагулянтов, декантации раствора с отстоявшегося известкового молока, перемешивания растворов с помощью стеклянных палочек, снабженных резиновым наконечником (учитель просит привести примеры перемешивания, знакомые учащимся из бытовой практики).)

4-й ученик (продолжает классификацию процессов химического производства).

3. Тепловые – испарение, конденсация, нагревание, охлаждение, выпаривание . (Демонстрация видеофрагментов конкретных химических производств и лабораторных установок, а также: дистилляции воды в дистилляторе или самодельной установке, выпаривание раствора поваренной соли.)

4. Диффузионные – абсорбция, адсорбция, дистилляция, ректификация, сушка, кристаллизация, сублимация, экстрагирование, фильтрование, ионообмен. (Демонстрация видеофрагментов конкретных химических производств и лабораторных установок, оборудования и приборов (установки для фильтрования, муфельной печи, кристаллизатора, ионообменников, в том числе и бытовых ионообменных фильтров для воды), а также: абсорбции на примере растворения хлороводорода или аммиака в воде («фонтан в колбе»), адсорбции активированным углем красителя из раствора, экстрагирования хлорофилла этиловым спиртом.)

5. Химические, в основу которых положено химическое превращение исходного сырья.

Эту группу технологических процессов химического производства раскрывают также два ученика.

5-й ученик. Химические процессы можно классифицировать по различным признакам.

По сырью: минеральное, животное, а также переработка угля, нефти, газа. (учителю будет уместно попросить учащихся вспомнить коксохимическое производство и основные направления переработки нефти, природного и попутного газов.)

По потребительскому или товарному признаку: производство красителей, удобрений, лекарств и т.д. (учитель просит учащихся вспомнить классификацию и производство важнейших минеральных удобрений.)

По группам периодической системы : получение щелочных и щелочно-земельных металлов, алюминия и др. (учитель просит учащихся вспомнить электролитическое получение щелочных и щелочно-земельных металлов и алюминия.)

6-й ученик. Химические процессы классифицируют также по следующим признакам.

По типам химических реакций: окисление, восстановление, гидрирование, хлорирование, полимеризация и т.д. (учитель просит учащихся вспомнить и привести примеры соответствующих реакций.)

По фазе: гомогенные (жидкофазные и газофазные), гетерогенные. (учитель просит учащихся вспомнить и привести примеры соответствующих процессов.)

Учитель (резюмирует). Современная химическая технология ставит задачи комплексного использования сырья и энергетики, комбинирования и кооперирования различных производств, непрерывности технологических процессов на производстве, экологической безопасности и экономической целесообразности.

Однако следует подчеркнуть, что современное производство веществ и материалов нередко обращается к помощи живых организмов и биологических процессов, т.е. к биотехнологии.

Биотехнология

7-й ученик (дает определение и рассказывает об истории возникновения и развития биотехнологии). Биотехнология – один из важнейших разделов технологии, под которым понимают науку об использовании живых организмов и биологических процессов в производстве.

Можно выделить три этапа становления этой науки и отрасли производства: ранняя, или стихийная, биотехнология, новая биотехнология и новейшая биотехнология.

Ранняя, или стихийная, биотехнология связана со знакомыми человеку с древнейших времен микробиологическими процессами брожения, лежащими в основе: хлебопечения, виноделия, пивоварения, сыроварения, получения кисломолочной продукции, квашения, получения льняного волокна и др.

В основе процессов стихийной биотехнологии лежит деятельность микроорганизмов и ферментов, которые сохраняют свою биологическую активность в определенных условиях и вне живой клетки. (Учащийся сопровождает эту часть своего сообщения демонстрацией коллекции продуктов питания, изготовленных этим путем (бутылка вина, кусок хлеба и сыра и др.).)

Новая биотехнология связана с введением в науку термина «биотехнология» с середины 70-х гг. ХХ в. и использованием биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка), производства ценных биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов, витаминов и др.), для защиты растений от вредителей и болезней. (Демонстрация образцов биотехнологической продукции.) На основе микробиологического синтеза были разработаны промышленные методы получения белков и аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок.

Новейшая биотехнология связана не только с развитием многообразного микробиологического синтеза, но, в первую очередь, с возникновением и развитием генной инженерии, клеточной инженерии и биологической инженерии. Достижения новейшей биотехнологии базируются на интеграции таких биологических дисциплин, как микробиология, биохимия, биофизика, молекулярная генетика и иммунология.

8-й ученик (рассказывает о генной инженерии). Генная инженерия – это раздел биотехнологии, связанный с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе, сочетаний генов, внедренных в живые клетки, способные синтезировать определенный продукт.

Сконструированные генными инженерами сочетания генов функционируют в клетке-реципиенте и синтезируют необходимый белок. Особый практический интерес представляет введение в геном животных и растений различных генных конструкций: как синтезированных, так и генов других животных, растений и человека. Такие растения и животные называются генетически измененными , а продукты их переработки – трансгенными продуктами . Трансгенная кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки; модифицированная соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, вареных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания. (Демонстрация коллекции пищевых продуктов, содержащих генно-модифицированные организмы (ГМО), и этикеток с их маркировкой.)

Генетическая модификация растений позволяет создать сорта растений с высоким уровнем устойчивости к сорнякам и вредителям. Это в несколько раз уменьшает расход гербицидов, ослабляя тем самым химическую нагрузку на окружающую среду. Сейчас за рубежом высеваются устойчивые к гербицидам трансгенные сорта хлопчатника, рапса, сои, кукурузы, сахарной свеклы.

В сельскохозяйственную практику входят трансгенные сорта с повышенными потребительскими свойствами, например, культуры гороха, сои, злаков с улучшенным составом белков. Созданы трансгенные помидоры без зернышек и на подходе бескосточковые черешня, арбуз, цитрусовые.

Методами генной инженерии в Канаде получен виноград, которому пересадили ген морозоустойчивости от дикой капусты, и в этой стране впервые появились виноградники.

В животноводстве с помощью генной инженерии получены высокопродуктивные породы животных (овец, свиней, кур и др.).

В фармакологии методы генной инженерии дали возможность создать высокоэффективные вакцины против герпеса, туберкулеза, холеры; в химической отрасли промышленности – новые формы дрожжей и бактерий, способных уничтожать разливы нефти.

9-й ученик (рассказывает о клеточной инженерии). Клеточная инженерия – метод конструирования клеток нового типа.

Культура клеток позволяет сохранять их жизнеспособность вне организма в искусственно созданных условиях жидкой или плотной питательной среды. Такие клоны клеток используют в качестве своеобразных фабрик для производства биологически активных веществ, например гормона эритропоэтина, стимулирующего образование красных кровяных телец. Методами клеточной инженерии получены факторы свертываемости крови (III и VIII) – для лечения гемофилии, инсулин – для лечения диабета, поверхностный белок вируса гепатита В – для получения соответствующей вакцины.

Наиболее известный обывателю феномен клеточной инженерии – клонирование живых организмов (вспомните знаменитую овечку Долли). Выведенные академиком В.?А.?Струнниковым клоны шелкопряда известны на весь мир.

Наиболее перспективным направлением сегодня является клонирование в области экспериментальной эмбриологии, успехи которой связаны, в первую очередь, с так называемыми эмбриональными стволовыми клетками. Самым главным свойством таких клеток является то, что генетическая информация, заключенная в их ядрах, находится как бы в состоянии покоя, т.е. в эмбриональных стволовых клетках еще не запущена программа дифференциации в ту или иную ткань. Они могут принять любую программу и превратиться в один из 150 возможных типов зародышевых клеток. Эмбриональные клетки лишь ждут специального сигнала, чтобы начать одно из своих превращений. Эта удивительная их способность продиктована избытком в клетке РНК всех генов, отвечающих за рост зародыша на ранней стадии развития эмбриона. Факторы, делающие эмбриональные клетки уникальными, позволяют использовать их для выращивания огромного массива тканей и любого человеческого органа. Следует отметить, что островки эмбриональных стволовых клеток имеются в различных органах и тканях. Именно эти клетки и дают возможность восстанавливать поврежденные органы и ткани и лечить множество тяжелых заболеваний. Однако необходимо отметить, что опыты по клонированию человека и выращиванию стволовых клеток эмбриона человека во многих странах запрещены.

10-й ученик (рассказывает о биологической инженерии). Биологическая инженерия – методы использования микроорганизмов в качестве биореакторов для получения промышленной продукции.

Этот раздел биотехнологии особенно важен для России, живущей, к сожалению, в основном за счет продажи ресурсов. Средняя отдача нефтяных месторождений у нас не превышает 50%. Компания «Татнефть», используя новую уникальную микробиологическую технологию регулирования микрофлоры нефтяных пластов, получила дополнительно около полумиллиона тонн нефти на месторождениях Башкирии.

Микробиологические технологии эффективны для получения цветных и черных металлов. Традиционная технология, основанная на обжиге, приводит к тому, что в атмосферу выбрасывается большое количество оксидов серы и азота, которые служат основой «кислотных дождей». Этих недостатков лишена технология, основанная на биологической инженерии. В Красноярском крае, например, работают восемь микробиологических ферментеров, позволяющих добывать золото из пород с низким содержанием этого металла. Современный мир, испытывающий острый дефицит меди, молибдена и других цветных металлов, с надеждой ждет разрешения его с помощью микробиологических методов.

Стоит отметить законченную в Институте микробиологии РАН работу над новым способом снижения концентрации метана в шахтах с использованием метанотрофных бактерий. Стоит ли говорить об актуальности этой работы на фоне нередких сообщений средств массовой информации о трагедиях на угольных шахтах.

Наиболее перспективным направлением биологической инженерии является создание иммобилизованных ферментов.

Иммобилизованными ферментами называются препараты ферментов, молекулы которых ковалентно связаны с полимерным носителем, нерастворимым в воде. Такие ферменты эффективны для применения в различных сферах народного хозяйства. Так, получаемая из дрожжей инвертаза может использоваться для производства искусственного меда; лактаза – для получения диетического молока с низким содержанием лактозы и глюкозо-галактозных спиртов из молочной сыворотки; уреаза – для очистки крови в аппарате «искусственная почка».

Разработаны иммобилизованные формы бактериальных протеаз, которые применяются для получения белковых гидролизатов и смесей аминокислот для зондового и внутривенного питания в медицинской практике. Для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы, который можно вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов. Перспективно использование иммобилизованных ферментов для аналитических целей (в виде ферментных электродов).

Нанотехнология

11-й ученик (дает определение нанотехнологии и рассказывает о двух подходах, существующих в ней, выступление сопровождается компьютерной презентацией). Под нанотехнологией понимается управляемый синтез молекулярных структур для получения веществ и материалов не из обычных сырьевых ресурсов, а непосредственно из атомов и молекул с помощью специальных аппаратов, действующих на основе искусственного интеллекта.

Название новой науки образовалось в результате прибавления к слову «технология» приставки «нано», которая обозначает уменьшение масштаба измерений в миллиард раз: 1 нанометр (1 нм) составляет одну миллионную от миллиметра, т.е. 1 нм = 10 –9 м. Для того чтобы образно представить эту величину, используем следующее сравнение: 1 нм примерно в миллион раз меньше толщины страницы школьного учебника. Десять атомов водорода, расположенных в один ряд, имеют длину 1 нм, и, что удивительно, молекула ДНК человека имеет диаметр ровно 1 нм.

К нанотехнологиям относят процессы манипулирования объектами, имеющими размер от 1 до 100 нм.

В нанотехнологии вообще существуют только два подхода. Их принято условно называть «сверху вниз» и «снизу вверх».

Первый подход – «сверху вниз» основан на уменьшении размеров обрабатываемого сырья или материалов до микроскопических параметров. Так, например, получают полупроводниковые устройства, обрабатывая заготовки для них лазерными или рентгеновскими лучами. Эти лучи, проходя через трафарет, создают на исходном материале необходимую структуру чипа. Такой способ нанотехнологии называется фотолитографией (литография – это получение на материале оттиска изображения, вырезанного на камне). Аналогом его может служить нанесение рисунков или надписей на футболки. Разновидностью данного способа в наномире является импринт-литография . В этом случае на резиноподобный силикагельный полимер наносят узор с помощью зондовых инструментов, который затем покрывается своеобразными молекулярными чернилами. Оттиски такой «резиновой печати» можно делать на любой поверхности (например, для получения компьютерных чипов наноскопических размеров).

В результате получается запланированная конфигурация схемы. Разрешающая способность таких чипов (минимальный размер его элементов) определяется длиной волны лазера. Таким образом получают схемы с размером элементов до 100 нм. Следовательно, этот подход позволяет получать наиболее крупные материалы и устройства наномира.

Второй подход нанотехнологии – «снизу вверх» состоит в том, что необходимая конструкция осуществляется сборкой из элементов низшего порядка (атомов, молекул, кластеров и т.д.). Для этого типа нанотехнологий применяются инструменты зондового сканирования. Они могут двигать атомы или молекулы по поверхности подложки, толкая или поднимая их. В этом случае зонд сканирующего инструмента выступает в роли своеобразного экскаватора или бульдозера наномира.

Основными способами такого подхода в нанотехнологиях являются: молекулярный синтез, самосборка, наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация.

Молекулярный синтез заключается в создании молекул с заранее заданными свойствами путем их сборки из молекулярных фрагментов или атомов. Таким образом производятся медикаменты. Множество современных лекарств, включая антибиотики нового поколения или знаменитую виагру, являются продуктами молекулярного синтеза. Молекулярный наноскопический синтез решает и вопросы упаковки таких лекарств в особые молекулярные оболочки, позволяющие доставлять эти лекарства непосредственно в пораженные участки организма.

Самосборка – это такой метод нанотехнологий, который основан на способности атомов или молекул самостоятельно собираться в более сложные молекулярные структуры.

Принцип самосборки основан на принципе минимума энергии – постоянном стремлении атомов и молекул перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, то исходные молекулы соединятся; если же для этого нужно изменить свое положение в пространстве, то они переориентируются.

Своеобразной моделью к иллюстрации принципа наименьшей энергии может служить древнегреческий миф о Сизифе, который с трудом поднимал камень на вершину горы, а тот упорно стремился скатиться по склону, т.е. занять наименьший уровень энергии.

Другой моделью, позволяющей наглядно представить самосборку, основанную на ориентации молекул в пространстве, является поведение компаса, который можно трясти, поворачивать, но стрелка его неизменно будет показывать на север, минимизируя энергию прикрепленного к ней небольшого магнита относительно поля Земли. Чтобы добиться такого положения, над стрелкой не нужно совершать никакой работы, она делает это естественно. Методы самосборки основаны на идее создания наноскопического сырья из атомов и молекул, которые, подобно стрелке компаса, естественно собираются в структуры необходимого материала.

В живых организмах самосборка является основой процессов ассимиляции, т.е. процессов синтеза белков, жиров, углеводов, полинуклеотидов, необходимых конкретному живому организму. Структурирование и сборка биологических тканей происходят на атомно-молекулярном уровне, причем живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Наносинтезу о таком приходится только мечтать. Тем не менее, наноконструкторы вводят определенные атомы или молекулы на поверхность подложки или на ранее собранную наноструктуру. Далее молекулы исходного наносырья ориентируются в пространстве, собираясь в определенную наноструктуру. Отпадает необходимость медленного и нудного конструирования такой структуры с помощью зондового инструмента. В этом и состоит преимущество самосборки.

В настоящее время с помощью самосборки возможно создание компьютерных запоминающих устройств. Она также может использоваться для защиты поверхности от коррозии или придания ей особых свойств, например, как у тефлона, применяемого для изготовления посуды. С помощью самосборки изготовлены опытные образцы гидрофильного и гидрофобного стекол, которые могут найти широкое применение, например, в автомобилестроении, производстве строительных стекол, в оптике.

Наноскопическое выращивание кристаллов – это такой метод нанотехнологий, при котором кристаллы можно выращивать из раствора, используя кристаллы-зародыши (центры кристаллизации).

Кремниевые блоки, используемые для создания микрочипов, производятся именно таким образом.

Этот метод можно использовать для выращивания длинных, стержнеподобных углеродных нанотрубок или нанопроводов из кремния. Такие наноматериалы имеют уникальные проводящие свойства и используются во многих областях оптики и электроники.

Полимеризация – это такой метод нанотехнологий, в основе которого лежит получение наноматериалов в виде полимеров из исходных мономеров с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Для его осуществления применяют так называемые генные машины, позволяющие синтезировать различные фрагменты ДНК (их называют олигонуклеотидами от греч. «оligos» – немного, незначительно, в отличие от полинуклеотида – целой ДНК). Затем из этих фрагментов с помощью все тех же генных машин конструируют матрицы, необходимые для производства того или иного вещества. Синтезированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК бактерий, которые затем производят множество копий нужного белка. Это позволяет эффективно строить белковые фабрики для получения практически любого выбранного протеина. Примером практического применения данного метода нанотехнологий является получение инсулина для лечения диабета.

12-й ученик (рассказывает о классификации и представителях некоторых групп наноматериалов). В 2004 в ФРГ, в г. Висбадене проходила седьмая Международная конференция по наноструктурным материалам, на которой была предложена следующая их классификация.

Нанопористые твердые вещества. Для их получения используют золь-гель технологию. В ее основе лежит сушка дисперсных систем. Продуктами такой технологии являются наноматериалы, содержащие оксиды металлов (Аl 2 O 3 , V 2 O 5 , Fe 2 O 3 и др.), которые могут применяться в качестве катализаторов, суперконденсаторов, топливных элементов и др.

Наночастицы – это, например, уже упомянутые выше олигонуклеотиды, применяемые в генных машинах для создания ДНК по производству нужного белка в промышленных масштабах. Кроме этого, это частицы носителей, применяемые для доставки лекарств в заданные точки организма.

Нанотрубки. Нанотрубки представляют собой совершенно новую форму материала. Различают полупроводниковые и металлические нанотрубки. Наибольший интерес представляют углеродные полупроводниковые нанотрубки, которые имеют форму крошечных цилиндров с диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной примерно в 1 мкм. Однослойные углеродные нанотрубки можно представить себе в виде свернутого в рулон одного слоя графита (в отличие от фуллерена, молекула которого похожа на футбольный мяч, образованный из одного слоя графита).

(При рассмотрении нанотрубок учителю будет уместно напомнить о явлении аллотропии и особенно о четырех аллотропных модификациях углерода: алмазе, графите, карбине и фуллерене.)

Углеродные нанотрубки представляют собой подобную фуллерену кристаллическую структуру, но собранную в другую форму, а потому обладающую другими свойствами (недаром некоторые исследователи предлагают считать нанотрубки еще одной модификацией углерода). Углеродные нанотрубки способны поглощать и удерживать водород в больших количествах, поэтому представляют собой ценный материал для создания двигателей на водородном топливе и водородных батарей. Углеродные нанотрубки обладают полупроводниковой способностью. Использование их позволит прийти к низкотемпературным катодам, в которых напряжение будет снижено до 500 В (в отличие от ныне действующих телевизионных катодов, которые работают под напряжением 10 кВ). Многослойные нанотрубки имеют высокий предел прочности на растяжение, который может достигать 63 ГПа, что в 50–60 раз больше, чем у высококачественных сталей. Давление, которое могут выдерживать такие трубки, достигает 100 ГПа, что в тысячи раз выше, чем у традиционных волокон. Это позволяет использовать их при изготовлении материалов для пуленепробиваемых жилетов и стекол, а также для производства сейсмоустойчивых строительных материалов. Углеродные нанотрубки имеют очень низкую плотность, что позволяет получать из них высокопрочные композиционные материалы, потребность в которых испытывают военная и авиационно-космическая техника, а также автомобилестроение. Углеродные нанотрубки обладают большой каталитической активностью, поэтому могут использоваться для проведения таких химических реакций, которые в обычных условиях невозможны, например прямой синтез этилового спирта из синтез-газа (смеси оксида углерода и водорода). Применение нанотрубок в качестве носителя катализатора определяется их химической устойчивостью и большой площадью поверхности.

Нанодисперсии – дисперсные системы, в которых частицы фазы имеют наноразмеры и распределены в жидкой среде. Их основное применение – это контролируемая доставка лекарственных средств в организм, а также производство современных косметических материалов (средства для загара, туши для ресниц, различные кремы).

Наноструктурные поверхности и пленки. В первую очередь, это поверхности искусственных и донорских органов, которые покрыты наноструктурными материалами, позволяющими избежать отторжения имплантируемых органов.

Нанокристаллы и нанозерна. Используя методы коллоидной химии, удалось получить в нанокристаллической форме многие известные материалы: полупроводники, магнитные материалы и т.п. Использование таких кристаллов в металлургии позволяет повысить прочность и другие качества стали. Из такой стали изготавливают не только более тонкие, но и более прочные трубы, выдерживающие высокое давление, например, в газоперерабатывающей и газотранспортной сферах. Нанокристаллы и нанозерна позволяют обрабатывать поверхности с молекулярной точностью. Их можно использовать и в медицине для изготовления противораковых препаратов нового поколения. Широкие возможности представляют нанозернистые материалы для создания светоизлучающих устройств с низким энергопотреблением, а также сред для магнитной записи со сверхвысокой скоростью.

Группа из двух-трех учащихся делает сообщение о применении нанотехнологий в различных областях жизни современного общества, используя схему 2 (см. с. 14 ).

Схема 2

Применение нанотехнологий в различных сферах
жизнедеятельности общества

13-й ученик. Энергетика. Альтернативой использованию ископаемого топлива (природного газа, нефти, угля и др.) является применение фотоэлектрических элементов, которые непосредственно превращают солнечный свет в электрическую энергию, – так называемых солнечных батарей и повышение их КПД. В основе таких устройств лежат, в первую очередь, кремний и, реже, германий. Кремниевые фотоэлементы используются в жилищном строительстве и промышленном производстве, а также в калькуляторах и др. Солнечный свет фокусируется на полупроводнике, в роли которого выступает один кристалл кремния или его поликристалл. Получение таких кристаллов и является задачей нанотехнологии. Другая альтернатива использования энергии, получаемой от сжигания ископаемого топлива, – создание новых топливных элементов, например углеродных нанотрубок, обладающих высокой адсорбционной способностью к водороду.

Опосредованно энергетические проблемы с помощью нанотехнологий решаются возможностью применения наноустройств в полупроводниковых информационных технологиях.

Электроника. Уже сейчас нанотехнология позволяет изготавливать полупроводниковые элементы размером от 30 до 100 нм. В перспективе размер таких элементов будет снижен до 35–50 нм. Такую возможность предоставит использование в электронной отрасли промышленности углеродных нанотрубок и запоминающих устройств нового типа (например, одноэлектронная память). В свою очередь, это позволит повысить скорость передачи информации примерно до 10 гигабит в секунду. Кроме этого, важное значение имеет совершенствование техники хранения информации, которая решается через создание терабитовых запоминающих устройств, позволяющих повысить степень плотности записи на магнитных дисках примерно в 1000 раз.

Авиация и космонавтика. В авиации нанотехнологии, в первую очередь, влияют на такой фактор развития авиационного транспорта, как создание новых конструкционных материалов. Два других фактора: развитие моторостроения и улучшения аэродинамики летательных аппаратов, – от нанотехнологии также зависят, но в меньшей степени. С помощью нанотехнологий будут созданы термостойкие керамические композитные материалы (т.е. материалы, состоящие из двух и более компонентов), способные выдерживать температуру 1000–1600 °С и полимерные композиты, выдерживающие температуру 200–400 °С. В космонавтике требования к композитам еще выше: они должны быть очень термостойкими (выдерживать температуры около 3000 °С), сверхлегкими и сверхпрочными. Именно такие материалы были использованы для изготовления нашего «Бурана» и используются при изготовлении американских «Шаттлов».

14-й ученик. Медицина. Нанотехнологии позволяют создать материалы с «молекулярным распознаванием» и организовать массовое производство биодатчиков, способных длительное время осуществлять мониторинг за организмом человека, что даст возможность проводить раннюю диагностику некоторых заболеваний. Кроме этого, существует перспектива использования для диагностики и лечения заболеваний особых наноскопических устройств, называемых нанороботами. Введенные в организм человека, они смогут очистить сосуды от атеросклеротических отложений, уничтожить молодые раковые опухоли, исправить поврежденные молекулы ДНК, провести полную диагностику, доставить лекарство к конкретным органам и даже клеткам и др. Создание и совершенствование так называемых ДНК-чипов позволит легко осуществлять анализ генетической информации отдельно взятого человека и проводить лечебный курс на основе создания индивидуальных лекарственных средств в соответствии с этой информацией. Применение нанотехнологий дает возможность получать новые биоматериалы и искусственные функциональные полимеры – заменители тканей человека.

С помощью нанотехнологий создаются наноинструменты и наноманипуляторы, используемые в медицине. Так, уже появились нанопинцеты и наноиглы. Например, для изготовления нанопинцета применяются две углеродные нанотрубки диаметром в 50 нм, расположенные параллельно на подложке из стеклянного волокна. Эти трубки сходятся и расходятся при подаче на них напряжения, имитируя пинцет. Японцы создали нанопинцет, длина которого всего 3 нм, что позволяет манипулировать отдельными молекулами. Отечественные ученые из Новосибирска предложили свои наноинструменты – наноиглы, способные производить инъекции внутрь клеток.

Нанотехнологии позволят также организовать производство биологически активных веществ методами самосборки. Для решения этой проблемы нанотехнологи особое внимание уделяют эмбриональным стволовым клеткам, которые способны превратиться в клетки различных органов человека (нервные, эпителиальные, клетки печени и т.д.). Процессы превращения стволовых клеток связаны с механизмами самосборки клеточных структур. Использование стволовых клеток поможет произвести замену поврежденных органов и частичный «ремонт» поврежденных участков.

Биотехнология. Эта область применения нанотехнологий уже была рассмотрена, но еще раз стоит обратить внимание на взаимосвязь и значение этих двух технологий. В первоначальном значении биотехнологией называлось использование методов синтеза ДНК для получения определенных белков на наноуровне. В роли «фабрик» белкового производства выступали бактерии кишечной палочки, у которой заменяли фрагмент ДНК на участок, необходимый для синтеза конкретного белка. Наиболее яркими примерами подобного конструирования являются получение инсулина, фактора роста организма (соматотропина) и фактора VIII (или коагулирующего фактора, вызывающего свертывание крови и используемого при гемофилии), которые широко используются в медицине.

15-й ученик. Сельское хозяйство. По данным ООН, в настоящее время на Земле проживает около 7 млрд человек, а по прогнозам к 2050 г. население планеты может достигнуть 100 млрд человек. Уже сейчас продовольственная проблема является глобальной для человечества. Любой обыватель может наблюдать за ростом цен на продукты питания изо дня в день.

Решение продовольственной проблемы человечества зависит, в первую очередь, от широкого применения генной инженерии и биотехнологии для создания сортов растений с повышенной урожайностью и питательной ценностью, а также в создании высокопродуктивных пород животных и штаммов микроорганизмов.

Наноинструменты и ферментативные методики, применяемые в биотехнологии и генной инженерии, позволяют решать эти задачи более быстрыми темпами. Так, бурно эволюционирует производство все новых сортов хорошо известной каждому генно-модифицированной сои. Традиционные сорта помидоров, картофеля, кукурузы, гороха, пшеницы, риса и т.д., а также экзотических батата и папайи в сельскохозяйственной практике уступают место созданным с помощью генной инженерии сортам, устойчивым к сорнякам и вредителям и обладающим повышенной урожайностью.

Экология. С помощью нанотехнологии можно защитить окружающую среду от вредных воздействий, связанных с повышением температуры атмосферы Земли, разрушением озонового слоя, загрязнением среды диоксином, кислотными дождями.

Средняя температура Земли только за 40 лет прошлого столетия выросла на 0,5 °С. Прогнозируется, что в новом столетии средняя температура возрастет еще на 3 °С. Последствия этого грозят человечеству многими бедами: уровень мирового океана поднимется на 65?см (будут подтоплены прибрежные территории многих стран), произойдет кардинальное изменение климата, смещение природных зон и др. Нанотехнологии предоставляют возможность уменьшить температурные воздействия на атмосферу Земли с помощью:

поиска альтернативных источников энергии,

совершенствования солнечных батарей,

уменьшения содержания оксида углерода(IV) в выхлопных газах.

Разрушение озонового слоя под воздействием широко используемых в промышленности и бытовой технике фреонов (хладагентов, аэрозолей) может привести к значительному росту заболеваний раком кожи и лейкемией. Поэтому перед нанотехнологиями стоит задача создания веществ и материалов, заменяющих фреоны.

Проблема загрязнения среды диоксином связана с широким применением хлорсодержащих соединений (поливинилхлорида, хлорированных углеводородов и т.д.) в промышленных целях.

С помощью нанотехнологий синтезируются новые материалы, способные заменить хлорсодержащие полимеры; создаются биодатчики длительного и точного мониторинга за окружающей средой; производятся нанопорошки для борьбы с загрязнениями окружающей среды, и, в первую очередь, с разливами нефти; конструируются нанофильтры, позволяющие предотвращать поступления диоксина и других отходов в окружающую среду, в том числе и выбросы в нее оксидов серы и азота транспортными и промышленными установками. Для последней цели немаловажную роль могут сыграть и созданные с помощью нанотехнологий катализаторы и их носители.

Оптика. Уменьшение размеров кристаллических зерен до нанометровых масштабов позволяет создавать из стеклообразных материалов новые оптические среды с очень высокими и регулируемыми коэффициентами преломления, изменением окраски, прочности и т.д. Такие среды называют наностеклами. Области их применения чрезвычайно многообразны. Например, с применением нанотехнологий на поверхности стекол создаются сотовые структуры, которые заполняются различными наноматериалами. Такие стекла могут использоваться для создания высокоэффективных устройств хранения и передачи цифровой информации. Также наностекла в комплекте с коротковолновыми лазерами позволят производить сверхмощные оптические запоминающие устройства и пленочные материалы с повышенной четкостью изображения. Наностекла могут применяться для изготовления оптических переключателей и тонких оптических волноводов. В сознании обывателя очки «хамелеоны» и изменяющие интенсивность затемнения автомобильные стекла редко связываются с представлениями о наномире, а ведь это именно так.

В Центре водных видов спорта в Пекине, где недавно завершилась олимпиада, крыша была изготовлена с применением наностекол, способных изменять интенсивность окраски в зависимости от интенсивности естественного освещения, а также выгибаться вовнутрь или наружу в зависимости от температурного режима.

Учитель. Нанонаука и нанотехнология являются интегрированным направлением современных, ранее считавшихся автономными, наук и технологий: физики, химии, биологии и их специализаций (биохимии, биофизики, атомной микроскопии), а также информационных технологий, биотехнологии, материаловедения. Следовательно, нанонаука носит междисциплинарный характер, а потому вполне логично предположить, что представление об этой науке потребуется в любой сфере вашей будущей профессиональной деятельности.

В эффективности этого семинара мы убедились на собственном опыте, когда проводили его в школе № 531 г. Москвы и школе № 33 г. Энгельса Саратовской области.

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
С.А.СЛАДКОВ,
Е.Е.ОСТРОУМОВА

* Сортировка сыпучих материалов (угля, руды и др.) по крупности частиц (кусков) на специальных устройствах – грохотах. – Прим. ред .

Химия в современных технологиях

Елпатова Ольга Ивановна,

Преподаватель химии

Цель работы – проанализировать историю создания ЭВМ и показать, какие химические элементы используются в развитии компьютерных технологий.

На протяжении нескольких последних десятилетий компьютерная технология развивается по пути все большей миниатюризации деталей и все большего удорожания их производства. Микропроцессоры последних поколений содержат огромное число транзисторов (10 млн. и более), имеющих размеры в десятую долю микрона (10 -7 метра). Следующий шаг в сторону микромира приведет к нанометрам (10 -9 метра) и миллиардам транзисторов в одном чипе. Еще чуть-чуть - и мы попадем в диапазон атомных размеров, где все начинают действовать законы квантовой механики.

Ричард Фейнман еще лет двадцать назад заметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вычисляющих устройств до тех пор, «пока биты, не достигнут размеров атомов, и квантовое поведение не станет доминирующим». Другая проблема, указывающая на то, что современная технология создания компьютеров изживает себя - это проблема приближения к пределу быстродействия. Так, современные компьютерные носители способны вмещать миллионы записей, с которыми уже не справляются существующие алгоритмы поиска.

Это привело к повышению производительности ЭВМ в целом. Отправной точкой всех «технологических прорывов» в компьютерной технике являются открытия в фундаментальных науках, таких как физика и химия.

В вычислительной технике существует периодизация развития электронных вычислительных машин. ЭВМ относят к тому или иному поколению в зависимости от типа основных используемых в ней элементов или от технологии их изготовления.

Анализ истории создания ЭВМ показал, что в развитии компьютерных технологий наметилась тенденция к уменьшению размеров ключевых элементов и увеличению скорости их переключения. За основу мы взяли теорию о пяти поколениях компьютеров вместо шести, т.к. мы считаем, что находимся на рубеже четвертого и пятого поколениях.

Одним из первых химических элементов встречающихся в истории ЭВМ является германий. Германий один из самых важных элементов для технического прогресса, так как наряду с кремнием германий стал важнейшим полупроводниковым материалом.

По внешнему виду германий нетрудно спутать с кремнием. Эти элементы не только конкуренты, претендующие на звание главного полупроводникового материала, но и аналоги. Впрочем, несмотря на сходство многих технических свойств, отличить германиевый слиток от кремниевого довольно просто: германий в два с лишним раза тяжелее кремния.

Формально, полупроводник – это вещество с удельным сопротивлением от тысячных долей до миллионов омов на 1 см.

Замечательна чувствительность германия не только к внешним воздействиям. На свойства германия сильно влияют даже ничтожные количества примесей. Не менее важна химическая природа примесей.

Добавка элемента V группы позволяет получить полупроводник с электронным типом проводимости. Так готовят ГЭС (германий электронный, легированный сурьмой). Добавив же элемент III группы, мы создадим в нем дырочный тип проводимости (чаще всего это ГДГ – германий дырочный, легированный галлием).

Напомним, что «дырки» – это места, освобожденные электронами, перешедшими на другой энергетический уровень. «Квартиру», освобожденную переселенцем, может тут же занять его сосед, но у того тоже была своя квартира. Переселения совершаются одно за другим, и дырка сдвигается.

Сочетание областей с электронной и дырочной проводимостью легло в основу самых важных полупроводниковых приборов – диодов и транзисторов.

Создание диодов легло в основу первого поколения компьютеров на основе электронных ламп в 40-х годах. Это электровакуумные диоды и триоды, представляющие собой стеклянную колбу, в центре которой размещалась вольфрамовая нить накала.

Вольфрам причисляют обычно к редким металлам. Он отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью.

В начале XX в. вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200°C и обладает большой светоотдачей. И в этом качестве вольфрам совершенно незаменим в наши дни. Незаменимость вольфрама в этой области объясняется не только его тугоплавкостью, но и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, т.е. этого килограмма достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тыс. 60-ваттных лампочек. Именно благодаря этому свойству мировая электротехническая промышленность потребляет всего около 100 т вольфрама в год.

Электронную начинку UNIVAC составляло более 5000 вакуумных ламп. Память на ртутных колбах позволяла хранить информацию объемом до полутора килобайт. Наиболее примечательным элементом в конструкции UNIVAC был специальный накопитель, который позволял записывать информацию и считывать ее с магнитной ленты. Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы - 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации "современного" компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Появление первого поколения компьютеров стало возможно благодаря трем техническим новшествам: электронным вакуумным лампам, цифровому кодированию информации и созданию устройств искусственной памяти на электростатических трубках.

Во втором поколении компьютеров вместо электронных ламп использовались транзисторы, изобретённые в 1948 г. Это был точечно-контактный прибор, в котором три металлических "усика" контактировали с бруском из поликристаллического германия. Поликристаллический германий получали вплавлением индия с обеих сторон пластинки ГЭС. Для всех областей нужен германий очень высокой чистоты – физической и химической. Для достижения ее выращивают монокристаллический германий: весь слиток – один кристалл.

Транзисторы были более надёжны, долговечны, обладали большой оперативной памятью.

С изобретением транзистора и использованием новых технологий хранения данных в памяти появилась возможность значительно уменьшить размеры компьютеров, сделать их более быстрыми и надежными, а также значительно увеличить емкость памяти компьютеров.

Подобно тому, как появление транзисторов привело к созданию второго поколения компьютеров, появление интегральных схем ознаменовало собой новый этап в развитии вычислительной техники - рождение машин третьего поколения .

Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм 2 . До 1965 г. большая часть полупроводниковых приборов делалась на германиевой основе. Но в последующие годы стал развиваться процесс постепенного вытеснения германия самим кремнием . Этот элемент – второй по распространенности на Земле после кислорода. Не идеальный, а просто высокочистый и сверхчистый кремний стал важнейшим полупроводниковым материалом. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в нем возникает собственная проводимость, причем носителями электрического тока являются не только свободные электроны, но и так называемые дырки – места, покинутые электронами.

Вводя в сверхчистый кремний те или иные легирующие добавки, в нем создают проводимость того или иного типа. Добавки элементов третьей группы менделеевской таблицы ведут к созданию дырочной проводимости, а пятой – электронной.

Кремниевые полупроводниковые приборы выгодно отличаются от германиевых, прежде всего лучшей работоспособностью при повышенных температурах и меньшими обратными токами. Большим преимуществом кремния оказалась и устойчивость его двуокиси к внешним воздействиям. Именно она позволила создать наиболее прогрессивную планарную технологию производства полупроводниковых приборов, состоящую в том, что кремниевую пластинку нагревают в кислороде или смеси кислорода с водяным паром, и она покрывается защитным слоем SiO 2 .

Вытравив затем в нужных местах «окошки», через них вводят легирующие примеси, здесь же присоединяют контакты, а прибор в целом тем временем защищен от внешних воздействий. Для германия такая технология пока невозможна: устойчивость его двуокиси недостаточна.

Под натиском кремния, арсенида галлия и других полупроводников германий утратил положение главного полупроводникового материала. В 1968 г. в США производилось уже намного больше кремниевых транзисторов, чем германиевых.

Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами примерно 1 мм 2 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились. В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной.

Появилась идея интегральной микросхемы – кремниевого кристалла, на который монтируются миниатюрные транзисторы и другие элементы. В том же году появился первый образец интегральной микросхемы, содержащий пять транзисторных элементов на кристалле германия. Ученые довольно быстро научились размещать на одной интегральной микросхеме сначала десятки, а затем сотни и больше транзисторных элементов. Компьютеры третьего поколения работали со скоростью до одного миллиона операций в секунду.

Начиная с середины 70-х все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего, за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.

В начале 70-х годов. была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Развитие микроэлектроники привело к созданию четвертого поколения машин и появлению больших интегральных схем . Появилась возможность размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем.

Это позволило объединить в единственной миниатюрной детали большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор. Центральный процессор небольшого компьютера оказалось возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см 2 ). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Каково же быстродействие современной микро ЭВМ? Оно в 10 раз превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз - быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз - быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Следовательно, нужны компьютеры с более высокими скоростными характеристиками. Поэтому специалисты во всем мире взялись за решение этой проблемы путем создания вычислительной системы будущего. В настоящее время ведутся экспериментальные разработки квантового компьютера, биокомпьютера , нейрокомпьютера , оптического компьютера, вероятностного компьютера наноэлектроники, нанокомпьютера, нанороботов, молекулярно-механических автоматов, высокотемпературных полупроводниковых материалов.

Древесина

Один из видов сырья текстильной промышленности – целлюлоза, вырабатываемая из древесины. Но все же значительная масса древесины идет на изготовление разнообразных пиломатериалов для строительной и мебельной промышленности. Производство целлюлозы для бумажной промышленности составляет 80% и синтетических волокон – 20%.

В мебельной промышленности широко применяются древесностружечные и древесноволокнистые плиты, изготовление которых базируется на органических связующих веществах. Современные химические технологии при производстве древесноволокнистых плит и целлюлозы позволяют использовать любой древесный материал, даже тот, который раньше считался не пригодным для обработки.

Древесина в отличие от ископаемого горючего сырья сравнительно быстро восстанавливается. В этой связи, а также в силу того, что цены на ископаемое органическое сырье будут расти, следует ожидать, что основная доля производства пластмасс, эластомеров и синтетических волокон будет реализована при переработке древесины в промежуточное химическое сырье – этилен, бутадиен и фенол. А это означает, что древесина станет не только строительным материалом и сырьем для производства бумаги, но и важным химическим сырьем для получения искусственных веществ: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и других ценных продуктов. Например, из 100 кг древесины можно изготовить примерно 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена.

Древесина – не единственный вид органического сырья. Другие разновидности биомассы: солома, камыш и т. п. – посредством химических технологий могут превращаться в такие же ценные продукты, что и те, которые производятся из древесины.

Микробиологи обнаружили, что грибы, вызывающие белую гниль древесины, могут приносить пользу. Их способность видоизменять некоторые компоненты древесины положена в основу новой технологии изготовления стройматериалов: после обработки грибом опилки, стружки и другие отходы склеиваются в монолитную массу. Так получают экологически чистые древесные плиты.

Одна из важнейших областей использования древесины – целлюлозно-бумажная промышленность. Мировое производство целлюлозы в середине 70-х годов достигло 100 млн. т в год. В настоящее время из древесины изготавливается основная масса различных видов бумаги и картона. Технология их изготовления сравнительно проста. Вначале кусочки древесины величиной со спичечную коробку превращают в волокнистую древесную массу. Затем после формования и прессования такой массы с добавленными в нее клеем, наполнителями и пигментными красителями осуществляется процесс сушки. Такая относительно несложная технология применяется давно, но все же отличается от той, на основании которой еще в 105 г. пекинский придворный Цай Лунь впервые изготовил бумагу из волокон конопли, льна и тряпок.

Какие же изменения наметились в технологии производства бумаги в последние десятилетия? Изменения прежде всего связаны с появлением заменителя бумаги – синтетического материала. При синтезе природных и искусственных материалов значительно улучшается качество бумаги. Например, введение пластмасс в волокнистую массу повышает прочность, эластичность бумаги, ее устойчивость к деформации и т. д.

Бумага из пластмассы особенно хороша для высококачественного печатания географических карт, репродукций и т. п. Доля производимой пластмассовой бумаги сравнительно невелика.

С развитием электронно-вычислительной техники и массового производства персональных компьютеров бумага перестает быть основным носителем информации. Однако все же возрастание объемов печатной продукции (книг, газет, журналов и т. п.), а также рост производства промышленной продукции, нуждающейся в упаковочных материалах, неизбежно приводит к ежегодному приросту производства бумаги примерно на 5%. А это означает, что потребность в древесине – важнейшем природном сырье – постоянно возрастает.

Еще в V тысячелетии до н. э. в древнем Египте выплавлялись первые стеклоподобные материалы. Стеклянная посуда в том виде, как она представляется нам сегодня, изготавливалась в XV в. до н. э. Однако вместе с тем стекло долгое время не находило широкого применения, поскольку ни броню, ни каску, ни даже ручную дубинку из столь хрупкого материала изготовить нельзя.

Первые гипотезы о структуре стекла появились в 20–30-е годы XX в., хотя с древних времен выплавлялись стекла более 800 различных составов, из которых производилось около 43 тыс. разновидностей изделий. Как и прежде, стекло обладает одним существенным недостатком – хрупкостью. Создать стекло нехрупким – одна из труднейших задач даже с учетом современных технологий.

Стекло состоит преимущественно из силикатной массы (до 75% SiO 2). Результаты электронно-микроскопических исследований структуры стекла показали, что при охлаждении расплава стекла возникают каплеобразные области, отличающиеся от окружающей их массы расплава химическим составом и стойкостью к химическим воздействиям. Размеры таких областей от 2 до 60 нм. Изменяя величину, число и состав данных областей, можно изготовить стеклянную посуду с очень высокой химической стойкостью. При разделении каплеобразных областей происходит кристаллизация – образуются кристаллы (размером около 1 мкм) со структурой стеклокерамического вещества – ситалла. Таким образом можно изготовить прозрачный или похожий на фарфор материал, коэффициент теплового расширения которого варьируется в таких широких пределах, что его можно прочно соединять с многими металлами. Некоторые стеклокерамические материалы выдерживают высокотемпературный перепад, т.е. не растрескиваются при резком охлаждении от 1000° С до комнатной температуры.

В начале 70-х годов разработана новая разновидность ситалла, который можно обрабатывать, как обычный металл, т. е. его можно обтачивать, фрезеровать, сверлить, а на деталях из него можно даже наносить винтовую резьбу. Область применения ситаллов – автомобилестроение, электротехника, химическое машиностроение, домашнее хозяйство.

Стекло, охлажденное при обычной температуре, имеет прочность на изгиб около 50 Н/мм 2 , а термически закаленное стекло – примерно 140 Н/мм 2 . При дополнительной химической обработке получается сверхпрочное стекло с прочностью на изгиб от 700 до 2000 Н/мм 2 . Химическая обработка заключается в том, что на поверхности стекла небольшие по размеру ионы натрия путем ионного обмена заменяются более крупными ионами калия. Химически упрочненное стекло не разбивается даже при сильном ударе и поддается механической обработке в отличие от термически закаленного стекла.

Высокой прочностью обладают композиционные материалы, включающие химически обработанные стекла со слоями пластика. Такой материал в некоторых конструкциях может заменить металл. Бронестекло толщиной 20–40 мм, состоящее из нескольких склеенных искусственной смолой стекол, не пробивается пулей при выстреле из пистолета.

Иногда для облицовки зданий применяются цветные стекла, та или иная окраска которого достигается введением оксидов металлов. Цветные стекла поглощают инфракрасное излучение. Таким же свойством обладают стекла с напыленным на их поверхность тонким слоем металла или сплава. Данные стекла способствуют поддержанию нормального микроклимата в помещении: летом они задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Широко применяются стекловолокнистые материалы. Ими можно армировать, отделывать, склеивать, декорировать, изолировать, фильтровать и т. п. Объем их выпуска огромен – в 1980г. он составлял около 1 млн т/год. Стеклонити для текстильной промышленности имеют диаметр около 7 мкм (из 10 г стекла можно вытянуть нить длинной 160 км). Стеклонить обладает прочностью до 40 Н/мм 2 , что гораздо прочнее стальной нити. Ткань из стекловолокна не смачивается и устойчива к деформации, на нее можно наносить разноцветные рисунки.

Применение стекловолокна в качестве светопровода породило новую отрасль естествознания – волоконную оптику. Стекловолокна – весьма перспективные средства передачи информации.

Хорошо известны изоляционные свойства стекла. Однако в последнее время все чаще говорят о полупроводниковых стеклах, которые изготавливаются методом тонкопленочной технологии. Такие стекла содержат оксиды металлов, что и обеспечивает им необычные, полупроводниковые свойства.

С помощью низкоплавкой эмали из стекла (570 °С) удалось изготовить надежное покрытие для алюминия. Покрытый эмалью алюминий обладает комплексом ценных свойств: высокой коррозионной стойкостью, эластичностью, ударопрочностью и др. Эмали можно придать различные цвета. Такой материал выдерживает агрессивную промышленную атмосферу, не подвергается старению.

Область применения стеклопродукции постоянно расширяется, а это означает, что уже сегодня стекло становится универсальным материалом. Современное стекло – традиционный материал, обладающий новыми свойствами.

Силикатные и керамические материалы

Постоянно развивающаяся строительная индустрия потребляет все большее количество строительных материалов. Свыше 90% из них – силикатные материалы, среди которых лидирует бетон. Его производство в мире превышает 3 млрд. т/год. На бетон приходится 70% общего объема всех строительных материалов. Самая важная и самая дорогая составляющая бетона – цемент. Его мировое производство с 1950 по 1980гг. увеличилось почти в 7 раз и в 1980 г. достигло почти 1 млрд. т.

Прочность на сжатие обычного бетона составляет 5–60 Н/мм 2 , а для лабораторных образцов превышает 100 Н/мм 2 . Высокопрочный бетон получается в результате термической активации цементного сырья при 150° С. Высоким требованиям отвечает полимербетон, но он пока еще дорог. Освоено производство и огнеупорного бетона, выдерживающего температуру до 1800°С. Процесс затвердевания обычного бетона составляет не менее 60–70% общего производственного времени. К сожалению, действенный и легко доступный ускоритель схватывания – хлорид кальция – вызывает коррозию железной арматуры, поэтому производится поиск новых дешевых ускорителей затвердевания. Иногда применяются ингибиторы схватывания бетона.

Находит применение силикатный бетон, состоящий из смеси извести и кварцевого песка, или золы угольных фильтров. Прочность силикатного бетона может достигать от 15 до 350 Н/мм 2 , т. е. превышать прочность бетона на основе цемента.

Представляет интерес бетон с полимерной структурой. Он легок, в него можно забивать гвозди. Полимерная структура создается введением алюминиевого порошка в качестве расширительной добавки.

Разрабатываются различные сорта легкого бетона из цемента и полимеров небольшой плотности. Такой бетон отличается высокими теплоизоляционными свойствами и прочностью, малым влагопоглащением и легко поддается обработке различными способами.

При введении асбеста в цементный раствор получается асбобетон – широко распространенный строительный материал, весьма стойкий к изменениям погодных условий.

Широкое применение находят керамические материалы. Из керамики производят более 60 тыс. различных изделий – от миниатюрных ферритовых сердечников до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс, каменная керамика) получают при высокой температуре из смеси каолина (или глины), кварца и полевого шпата. Из керамики изготавливаются крупноформатные блоки, пористый и пустотелый кирпич, а для специальных целей (например, для дымовых труб) – закаленный кирпич.

В последние десятилетия к керамике стали относить и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, карбидов, силицидов, боридов и нитридов. Такие материалы сочетают в себе высокие термическую и коррозийную стойкость и прочность. Некоторые композиционные материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600° С.

Высокопрочностные материалы, в которых (в результате прессования порошка при 1700° С) до 65% Аl 2 О 3 внедряется в кристаллическую решетку Si 3 N 4 , выдерживают температуру выше 1200° С. В сосудах из такого материала можно плавить медь, алюминий и другие металлы. Из комбинации кремний–алюминий–азот–кислород можно получить многообразные керамические материалы, обладающие высокими техническими качествами.

Металлокерамические композиционные материалы имеют высокую твердость и чрезвычайно высокую термостойкость. Из них изготавливаются камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. Такие материалы производятся методом порошковой металлургии из металлов (железа, хрома, ванадия, молибдена и др.) и оксидов металлов (преимущественно Аl 2 О 3 ), карбидов, боридов, нитридов или силицидов. В металлокерамике сочетаются качества керамики и металлов.

Сравнительно недавно – в начале 90-х годов – синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий удивительным свойством – высокотемпературной сверхпроводимостью. Такой материал переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

Вне всякого сомнения, в результате исследования структуры и свойств новых керамических материалов будут найдены способы синтеза композитов с раньше неизвестными свойствами.

Средства сохранения материалов

Важно не только получить высококачественный материал, но и сохранить его. Воздействие окружающей среды ухудшает качество материала: происходит его преждевременное старение, разрушение и т. п. К существенному разрушению металлов, особенно нецветных, приводит их коррозия, при длительном воздействии влаги древесина подвергается гниению и т. д. Поэтому для сохранения качества материалов и изготовленных из них изделий применяются различные средства защиты.

Принято считать, что человек научился изготавливать металлические изделия более 4500 лет назад, и с тех пор он борется с коррозией. По некоторым оценкам, ежегодные потери железа в результате коррозии составляют почти 15% мировой продукции стали, а это означает, что примерно каждая седьмая домна на земном шаре работает впустую.

Самая распространенная мера защиты от коррозии – окраска, т. е. нанесение защитного слоя масляной или синтетической краски. Слой краски защищает изделия из древесины от гниения. Широко применяются краски на основе алкидных смол.

Обычное покрытие кажется эффективным, когда краска наносится на чистую поверхность. Однако процесс очистки поверхности – трудоемкая операция, поэтому проводится поиск защитных покрытий для нанесения на поврежденную коррозией поверхность без предварительной ее очистки. Одно из таких покрытий уже синтезировано в виде краски, содержащей цианамид цинка, при реагировании которого с ржавчиной образуется цианамид железа, надежно защищающий поверхность от коррозии.

Для приготовления красок и лаков широко применяются органические растворители и разбавители. После нанесения краски органические вещества испаряются, загрязняя атмосферу. Такого недостатка лишены жидкие лаки без растворителей, а также краски, разбавленные водой. Весьма эффективно порошкообразное покрытие электростатическим способом, при котором в качестве связующих веществ применяются термопласты и «сшитые полимеры» (эпоксидные смолы, поливинилацетат, полиолефины). С помощью полиэфиров и высокомолекулярных полиамодов можно получить цветные или прозрачные слои толщиной около 0,02 мм, прочно сцепляемые с окрашиваемой поверхностью.

Представляют практический интерес электропроводящие краски, необходимые для изготовления печатных схем, антенн и т. п.

Антикоррозийными свойствами обладают нержавеющие стали, содержащие дорогостоящие металлы хром или никель. Гораздо дешевле напыление на обычную сталь слоя алюминия или хрома небольшой толщины– менее 0,001 мкм.

Один из перспективных способов защиты от коррозии – формирование слоя своеобразной ржавчины, предохраняющего металл от дальнейшего разрушения. Обычная ржавчина, состоящая из рыхлого слоя оксида железа, способствует дальнейшему разрушению материала. Защитный слой ржавчины образуется на поверхности деталей из стали, содержащей, например, 0,7–0,15% фосфора, 0,25–0,55% меди, 0,5–1,25% хрома и 0,65% никеля. К настоящему времени уже разработаны десятки разновидностей таких сталей, обладающих удивительным свойством самозащиты. Их можно формовать и сваривать, а стоимость их на 10– 30% выше обычных сталей. Из них можно изготавливать вагоны, цистерны, трубопроводы, строительные конструкции и многое другое, что требует устойчивости к атмосферным воздействиям.

Замена материалов

На смену старым материалам приходят новые. Это происходит обычно в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заместитель должен обладать лучшими свойствами. Например, к материалам-заменителям можно отнести пластмассы, хотя считать их определенно новыми материалами вряд ли возможно. Пластмассы могут заменить металл, дерево, кожу и другие материалы. Более 1/3 мирового потребления пластмасс приходится на промышленность. Тем не менее, по некоторым оценкам, только 8–15% стали заменяется пластмассами (преимущественно при изготовлении трубопроводов), бетоном и другими материалами. Сталь обладает вполне приемлемым соотношением между стоимостью и прочностью, возможностью варьирования свойств и способов обработки – все эти качества сдерживают быстрое и массовое ее вытеснение пластмассами и другими материалами.

Не менее сложной является проблема замены цветных металлов. Во многих странах идут по пути экономного, рационального их потребления.

Преимущества пластмасс для многих сфер применений вполне очевидны: 1 т пластмасс в машиностроении экономит 5–6 т металлов. На изготовление пластмассовых изделий требуется всего 12–33% рабочего времени, необходимого для изготовления тех же изделий из металла. В производстве, например, пластмассовых винтов, зубчатых колес и др. сокращается число операций обработки и повышается производительность труда на 300–1000%. При обработке металлов материал используется на 70%, а при изготовлении изделий из пластмасс – на 90–95%.

Замена другого широко применяемого материала – древесины – началось еще в первой половине XX в. Прежде всего появилась фанера, а позднее – древесноволокнистые и древесностружечные плиты. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В качестве примеров можно назвать игрушки, предметы быта, лодки, строительные конструкции и т. п. В то же время наблюдается тенденция увеличения потребительского спроса на товары, изготовленные из древесины.

В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.