В процессе работы над индивидуальным проектом по физике "Нанотехнологии - наше будущее" ученик 11 класса раскрыл понятие нанотехнологии, изучил физические основы этого направления науки, провел эксперимент и сделал выводы.

Подробнее о проекте:

В ученической исследовательской работе по физике "Нанотехнологии - наше будущее" автор выясняет, что такое нанотехнологии, описывает историю появления нанотехнологий, приводит классификацию нанотехнологий, дает развернутую характеристику современных нанотехнологий, в том числе исследует ноу-хау нижегородских ученых, выясняет значение терминов "нанотехнологии", "смачивание", "гидрофобизаторы".

В готовом творческом и исследовательском проекте по физике "Нанотехнологии - наше будущее" автор описывает проведенный им эксперимент по гидрофобизации поверхности дерева, по результатам которого делает сравнение эффективности выпускаемых в промышленных условиях и самодельных гидрофобизаторов. Настоящая работа доказывает, что гидрофобизаторы можно сделать в домашних условиях, и они будут надежно защищать древесину от влаги.

Оглавление

Введение
1. Теоретические основы использования нанотехнологий.
1.1. Что такое нанотехнологии?
1.2. Классификация нанотехнологий.
2. Нанотехнологии сегодня.
2.1. Ноу-хау нижегородских ученых.
2.2. Гидрофобизация поверхностей: от эффекта лотоса до технического применения нанослоев.
3. Эксперимент.
Выводы по экспериментам
Заключение
Список использованной литературы

Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах.

Раньше я никогда не задумывался над регулярно звучащими с экрана телевизора словами «нанотехнологии», «наночастицы», «наномир», мне казалось, что все эти слова – из области фантастики. Но однажды я посмотрел документальную передачу «Территория заблуждений», и очень озадачился. Оказывается, многие вещи, которые нас окружают, и которые мы считаем элементарными, изготовлены с применением нанотехнологий – от зубной пасты до мобильных телефонов. Я очень заинтересовался этой темой: а какие разработки на основе нанотехнологий применяются сегодня? Я изучал материалы по данной теме, используя телевизионные передачи, интернет-ресурсы, свои знания по физике, наблюдал, исследовал.

Данная исследовательская работа посвящена изучению истории возникновения нанотехнологий, их развитие, а также рассмотрению роли нанотехнологий в различных сферах деятельности человека.

Актуальность темы исследования нанотехнологии связана с её малоизученностью и необходимостью восполнения недостающей научной информации, т. к. нанотехнология - это современная наука, которая не стоит на месте. Сейчас нет ни одной технологии, в которой бы не использовались нанотехнологии.

Цель работы: раскрыть понятие нанотехнологии, изучить физические основы этого направления науки, провести эксперимент и сделать выводы.

Основная цель работы: доказать, что гидрофобизаторы можно сделать в домашних условиях, и они будут надежно защищать древесину от влаги.

Объект исследования: нанотехнологии в современном мире.

Предмет исследования: гидрофобизация поверхностей.

Задачи:

1. Изучить литературу по теме;
2. Изучить историю появления нанотехнологии;
3. Выяснить значение терминов нанотехнологии, смачивание, гидрофобизаторы;
4. Провести эксперимент;
5. Проанализировать полученные результаты;
6. Сравнить эффективность выпускаемых в промышленных условиях и самодельных гидрофобизаторов.

Нанотехнология (греч. nanos — «карлик» + «техно» — искусство, + «логос» — учение, понятие) — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, занимающаяся новаторскими методами (в сферах теоретического обоснования, экспериментальных методов исследования, анализа и синтеза, а также в области новых производств) получения новых материалов с заданными нужными свойствами.

Вообще нанотехнология ( НТ ) занимается структурами, которые не превышают значений 100 нм или меньших, и используют материалы или устройства в пределах этих размеров. Нанотехнология очень разнообразна, она распространяется в областях исследований, начиная с обычных физических устройств, включая полностью новые направления на молекулярно-атомном уровне. В нанотехнологии применяют новейшие технологии манипулирования единичными атомами или молекулами (перемещение, перестановки, новые сочетания).

Согласно Программе развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года Нанотехнологии – технологии, направленные на создание и эффективное практическое использование нанообъектов и наносистем с заданными свойствами и характеристиками.

Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр - одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Очевидно, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это огромная и всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками.

В целом под нанотехнологией понимается изучение свойств наноразмерных объектов, анализ их влияния на свойства материалов и развитие этих свойств для производства структур, устройств и систем с характеристиками, заданными на молекулярном уровне.

Как и в случае с определениями, классификации направлений нанотехнологий в настоящее время находятся в процессе формирования. В результате работы для построения российской системы классификации были выделены основные направления нанотехнологий и даны определения каждому из них:

Наноматериалы (в том числе наноструктуры) – научно-исследовательское направление, связанное с изучением и разработкой объемных материалов пленок и волокон, макроскопические свойства которых определяются химическим составом, строением, размерами и/или взаимным расположением наноразмерных структур.

Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм (в том числе интегральных схем), и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических основ функционирования указанных устройств и приборов.

Нанофотоника – область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических явлений, определяющих функционирование наноструктурированных устройств и протекающих при взаимодействии фотонов с наноразмерными объектами.

Нанобиотехнологии – целенаправленное использование биологических макромолекул и органелл для конструирования наноматериалов и наноустройств.

Наномедицина – практическое применение нанотехнологий в медицинских целях, включая научные исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств, а также действия по восстановлению и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.

Методы и инструменты исследования и сертификации наноматериалов и наноустройств – устройства и приборы, предназначенные для манипулирования наноразмерными объектами, измерения, контроля свойств и стандартизации производимых и используемых наноматериалов и наноустройств.

Технологии и специальное оборудование для опытного и промышленного производства наноматериалов и наноустройств – область техники, связанная с разработкой технологий и специального оборудования для производства наноматериалов и наноустройств.

В настоящее время в Нижегородской области действуют четыре института и два филиала московских институтов Российской академии наук, пять НИИ Министерства образования, 66 отраслевых НИИ (включая Всероссийский ядерный центр ВНИИЭФ), 15 научно-исследовательских подразделений заводского сектора. Научными разработками занимаются 107 предприятий и организаций — это 48 тысяч человек (количество исследователей на 10 000 населения в регионе превышает средний показатель по РФ в четыре раза).

Наряду с фундаментальными исследованиями институты РАН выполняют большой объем прикладных работ, многие из которых направлены на создание принципиально новых технологий, приборов, элементной базы, превосходящих не только российский, но и мировой уровень.

Нельзя обойти вниманием город Саров, в котором расположен Российский федеральный ядерный центр Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (предприятие Росатома РФЯЦ-ВНИИЭФ в Сарове). Специалисты этого центра разработали и запатентовали уникальный оптический суперкомпьютер, который имеет большие преимущества перед традиционными ЭВМ.

Что касается конкретных задач, которые можно было бы решать с помощью фотонных вычислительных машин, то это, например, задачи по изучению генетических особенностей людей, что важно для медицины.

Любая твердая поверхность имеет способность взаимодействовать с водой на молекулярном уровне, то есть смачиваться. По степени смачиваемости поверхности бывают двух типов – гидрофильные и гидрофобные. На гидрофильных поверхностях капля воды растекается полностью и сразу начинает впитываться, на гидрофобных - не растекается и не впитывается. Исходя из этого, можно сказать, что гидрофобизация – это процесс, который способствует приобретению материалом способности не впитывать воду, а используемые для этой цели составы называются гидрофобизаторами.

Гидрофобное (водоотталкивающее) свойство листа называют "эффектом лотоса". Ученые долгие годы безуспешно пытались воспроизвести этот эффект, используя различные гидрофобизаторы, но должного результата не достигали. Наконец, в поиск включились специалисты по нанотехнологиям. И обнаружили: листья лотоса не только гидрофобны, но и имеют на своей поверхности множество наноразмерных бугорков, тоже, разумеется, гидрофобных. Такое строение поверхности листа лотоса и приводит к тому, что вода ни на секунду не способна удерживаться на такой «бородавчатой» поверхности [10; c 7].

Листья растений разных видов сильно отличаются по их способности к смачиванию. Некоторые из них вообще не смачиваются жидкостями. Капли воды скатываются по поверхности, легко смывают непрочно осевшие на ней инородные частицы и уносят их с собой, очищая лист. Если рассмотреть поверхность лотоса под сканирующим электронным микроскопом, можно увидеть, что она не гладкая, а довольно шероховатая из-за находящихся на ней кристаллов воска.

Поскольку эти кристаллы очень малы, то невозможно ни увидеть их невооруженным глазом, ни почувствовать на ощупь. Степень смачиваемости поверхности зависит от ее микро- или наноструктуры. Физический смысл эффекта смачиваемости заключается в определенном соотношении сил поверхностного натяжения на границах раздела фаз: вода - воздух, вода - твердое тело, твердое тело - воздух.

Степень смачиваемости поверхности можно определить по величине угла, образованного поверхностью твердого тела и касательной к поверхности капли в точке ее контакта с поверхностью. Этот угол называется краевым и зависит от соотношения межфазных сил поверхностного натяжения.

Как видно из рис.1, поверхность будет гидрофильной (полностью смачиваемой), если краевой угол меньше 90°. Если этот угол больше 90°, то поверхность будет гидрофобной (абсолютно не смачиваемой), полностью отталкивающей воду и, следовательно, водонепроницаемой. Краевой угол для обычных водоотталкивающих веществ (например, фторопласта) не превышает 120°. Для некоторых искусственно созданных веществ краевой угол может достигать 170°. Данные поверхности называют сверхгидрофобными. Капля воды не способна растекаться по такой водоотталкивающей поверхности с микрошероховатестями, она стягивается в шарик и скатывается с поверхности при малейшем наклоне.

Гидрофобизаторы отличаются друг от друга химическими, гидродинамическими, деформационными и другими свойствами. Процесс гидрофобизации заключается в формировании специальной пленки на молекулярном уровне. Она не дает жидкости проникать в толщу материала, а заставляет ее отталкиваться от поверхности и просто скатываться.

Применять гидрофобизаторы для защиты поверхностей от воды начали 40 лет назад. Первыми жидкостями для гидрофобизации были кремнийорганические соединения с низкой эффективностью и пожаробезопасностью, их уже давно нет на рынке. За столько короткую историю гидрофобизаторы успели полностью преобразоваться и достичь своей основной цели – предотвращение разрушения материалов и их загрязнения от атмосферных явлений и агрессивных химических сред. Сегодня гидрофобизаторы имеют совершенно другие возможности.

Они по порам проникают в структуру материала на глубину до 60 мм, где путем химических реакций образуют нерастворимые кристаллы, не создавая при этом пленки на поверхности. Эти образования препятствуют проникновению воды, но не являются преградой для прохождения воздуха, то есть материал продолжает дышать и остается совершенно сухим, что очень важно.

Суть эксперимента заключается в том, чтобы сравнить эффективность действия аэрозольного гидрофибизатора, изготовленного в промышленных условиях, и самодельного гидрофибизатора.

Приборы и материалы: Необработанная древесина, баллончик с аэрозолем «Покрытие для дерева и камня», уайт-спирит, парафин, кисточка для нанесения состава.

Проведение эксперимента
Подбираем три необработанные деревянные поверхности, тщательно очищаем, удаляем налет и просушиваем, маркируем их:

• Необработанная поверхность;
• Поверхность, обработанная составом из баллончика;
• Поверхность, обработанная самодельным гидрофобизатором.

Тщательно встряхнув баллончик, распыляем на поверхность гидрофобизирующий состав так, чтобы он покрыл ее сплошным слоем.

В домашних условиях готовим гидрофобизатор из парафина и уайт-спирита. Для этого я взял 1 часть парафина (парафиновая свеча) на 20 частей уайт-спирита. Парафин мелко натер на кухонной терке с мелкими зубьями для лучшего растворения в растворителе. Добавил уайт-спирит и тщательно размешал состав до однородности.

С помощью силиконовой кисточки нанес самодельный гидрофобизатор до полного покрытия поверхности. Через некоторое время (я ждал 10 часов) уайт-спирит полностью улетучился, после чего я отполировал поверхность бумажными салфетками.

Поскольку водоотталкивающий эффект проявляется только на абсолютно сухой поверхности, оставляем их до полного высыхания на 6 часов. Подвергаем гидрофобизированную поверхность испытаниям на воздействие воды.

После высыхания все три образца поливаем водой (1 литр на каждый образец).

Оцениваем результат и делаем выводы.

На образце под номером 1 (необработанная поверхность) мы видим, что поверхность впитала влагу и стала сырой на ощупь, из чего можно сделать вывод, что необработанная древесина хорошо впитывает влагу и при использовании ее например, при строительстве, при попадании даже небольшого количества влаги через небольшой промежуток времени произойдет разбухание древесины, образуется грибковый налет, что сделает такое изделие непригодным для эксплуатации.

На образце под номером 2 (аэрозоль из баллончика) мы видим проявление отталкивающего эффекта с четко выраженным образованием капель. Полностью высохшее покрытие является довольно износостойким, но его можно легко разрушить с помощью химических веществ.

Образец под номером 3 (самодельный гидрофобизатор) также успешно прошел испытание водой. На нем, как и на образце под номером 2 мы видим образование капель воды.

Мы считаем, что нам удалось доказать сформулированную тему исследования: «Нанотехнологии - это прорыв в будущее» и в теоретической части работы выяснить, что:

В последние годы нанотехнологии стали рассматриваться в качестве одного из главных приоритетов, входящих во все жизненно важные сферы деятельности человека.

Нанотехнологии затронули все стороны науки и техники, производства, быта, социального, медицинского обслуживания.

Использование инновационных материалов XXI века позволит воплощать в реальность самые немыслимые проекты.

Результаты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотехнологии уже достигнуты.

Появились и внедрены в различные отрасли и запущен выпуск массового производства с использований нанотехнологий технологий массового производства.

При всех преимуществах нанотехнологий, они могут представлять и угрозу здоровью человека.

В ходе практического исследования мы доказали, что гидрофобизаторы можно сделать в домашних условиях, и они будут надежно защищать древесину от влаги. Опытным путем мы определили, что:

Необработанная древесина легко впитывает влагу

Гидрофобизаторы обеспечивают надежную защиту древесины от влаги

Выяснили, что гидрофобизаторы можно сделать в домашних условиях, и по эффективности они не уступают магазинным аналогам.

Основываясь на водооталкивающих свойствах домашнего гидрофобизатора, я обработал им внутреннюю стену балкона квартиры, оббитой древесным полотном, тем самым сэкономив семейный бюджет.

Предлагаю в дальнейшем использовать этот способ при работе с необработанной древесиной в бытовых нуждах семьи.

1. Разумовская, И.В. Нанотехнология: учебное пособие / И. В. Разумовская – Москва: Издательство «Дрофа», 2010. - 154 с.
2. Рыбалкина, Н. М. Нанотехнологии для всех / Н. М. Рыбалкина - Москва: Издательство «Дрофа», 2010. - 444 с.
3. Журнал «Российские нанотехнологии» (дата обращения 20.12.2019) – текст электронный.
4. Российский электронный наножурнал (дата обращения 22.12.2019) – текст электронный.
5. NanoNewsNet — новости нанотехнологий (дата обращения 20.12.2019) – текст электронный.
6. Центр Нанотехнологий Росатома (дата обращения 21.12.2019) – текст электронный.
7. Журнал «ЛЕСПРОМинформ» (дата обращения 19.12.2019) – текст электронный.
8. Журнал «Технологии строительства» (дата обращения 22.12.2019) – текст электронный.
9. Научно-популярная статья (дата обращения 19.12.2019) – текст электронный.