Навигация
6.1. Нано на стыке наук
Если достижения ушедшего века позволяют говорить, что ХХ век был веком узкоспециализированных профессионалов, то сегодня, поступая в то или иное учебное заведение, молодой человек не может быть абсолютно уверен, что профиль, на который он собирается потратить 5 лет своей жизни, лет через 5_10 не окажется никому не нужным “старьем” в свете современных технологий.
“Так как же быть?”, - спросите вы. Неужели традиционное профессиональное образование может обесцениться настолько, что станет не актуальным на рынке труда? Конечно, нет, но на современном этапе профессионализма в какой-то узкоспециализированной профессии будет явно не хватать. Как вы, наверное, уже поняли, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований. Ее достижения касаются всех сфер жизнедеятельности человека. И поэтому лидирующее положение в будущем, естественно, будут занимать люди, обладающие фундаментальным образованием, основанным на междисциплинарном подходе. Вероятно, постепенно эта тенденция будет распространяться и на вузовское образование, побуждая составителей учебных программ объединять множество фундаментальных дисциплин в одном курсе. Но зачем же ждать, когда это сделают академики из Минобразования, когда у нас сегодня есть все возможности самим развиваться в разных направлениях, включая не только естественнонаучный профиль, но и гуманитарный?
К сожалению, современная система нацелена на формирование узкоспециализированных "винтиков", а не самостоятельно мыслящих и гармонично развитых людей. Нередко можно встретить человека, прекрасно разбирающегося, например, в программировании, но при этом совершенно не знакомого с достижениями современной биологии, или наоборот. Поэтому, надеюсь, читатель простит меня за небольшой "ликбез" по раз_ личным направлениям современной науки и техники. Ярким примером междисциплинарного мышления, достигшего выдающихся результатов в различных областях науки и искусства, являлся гений Леонардо да Винчи. Его нельзя называть только ученым, только художником, только архитектором или только инженером. Леонардо да Винчи своим примером показал возможность плодотворного сочетания различных знаний и умений в одном человеке, что бы там ни утверждали адепты “узкоспециализированного подхода”. Кстати, если говорить о связи нанотехнологий с фундаментальными науками, то можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.
Но не только. Без развития информационных систем (особенно таких областей информатики, как искусственный интеллект, компьютерное моделирование, робототехника и т.д.), фундаментальной базой которых является математический аппарат, невозможно проектирование и создание ассемблеров и других устройств наноэлектроники. Эколог будущего также не останется без работы. Напротив, прогресс в сфере нанотехнологий, будет ставить перед ним все больше вопросов и задач: от автоматических наносистем охраны окружающей среды до сверхточного прогнозирования и борьбы с экологическим загрязнением и природными катаклизмами. Бурное освоение космоса может дать совершенно новый материал для астрономических исследований и гипотез. Историки и обществоведы будут изучать характерные черты и проблемы “нанотехнологического общества” как ледующего за “информационным” в цепочке общественно_ исторических формаций. Основы безопасности жизнедеятельности, возможно, станут одним из актуальнейших направлений будущих исследований. Психологи и социологи будут решать множество вопросов, связанных с адаптацией всех “неподготвленных” к неожиданным последствиям нанореволюции.
Возросшие требования к образованию, потребность в новых методах и концепциях обучения потребует от будущих учителей новаторства и активности. Перед философами, экономистами и политологами встанет множество новых вопросов, требующих нетрадиционных решений в условиях нанотехнического прогресса. Музыка, изобразительное искусство, литература, балет, театр и все, что относится к выражению творческого потенциала человека, всегда стояли несколько особняком от научно-технического прогресса. С одной стороны, это говорит о том, что стремление человека к прекрасному, возвышенному _ извечно и что ни_ какие достижения научно-технического прогресса не в силах уменьшить в глазах человека той ценности и притягательности, которой обладают такие нравственные категории, как доброта, красота, истина, благородство, честность, творчество, любовь.
С другой стороны, во все времена искусство пыталось отразить современное состояние общества, не отставая от научно-технического прогресса в своём индивидуальном поиске новых средств и форм выражения. Так, в Средние века отражение теологической морали, господствовавшей во всех сферах общественной жизни, можно увидеть во всех образцах культуры того времени, будь то живопись, музыка или литература. Эпоха Возрождения, провозгласившая человека венцом творения и воспевающая его божественное происхождение в проявлении чисто “человеческих” качеств, также оставила не_ мало свидетельств такого мировоззрения в произведениях искусства того времени. Кинематограф, литература и поэзия Советского периода нашей с вами истории также проникнуты идеями и лозунгами социализма и коммунизма. Опять же, современное искусство позиционирует себя как “искусство новых технологий” и использует все последние достижения компьютерной техники. Медиа-арт, веб-арт, компьютерная графика, голография – наиболее актуальные на сегодняшний день направления. Иными словами, искусство шествует вслед за прогрессом, не желая оставаться “за бортом” и стремясь всегда адекватно отражать окружающую нас действительность. Таким образом, перспективы развития науки и техники также определяют пути искусства. Кстати, в 2001 году японские учёные, используя передовые лазерные технологии, создали самую маленькую в мире скульптуру. Она изображает разъярённого быка, разворачивающегося для атаки.
Размеры “микробыка” впечатляют: 10 мкм в длину и 7 мкм в высоту– не больше, чем у красных кровяных телец человеческой крови. Увидеть его можно только в сверхмощный микроскоп. При “высечении” скульптуры использовались два лазера, которые работали в инфракрасном диапазоне и по специальной программе обрабатывали заготовку из полимера, затвердевавшего только под воздействием лазерного луча. Почему бы этому бычку не положить начало новому направлению в области наноскульптуры? И кто знает, может быть не за горами тот день, когда “Битлз” нового поколения поразят весь мир новым музыкальным “нано”-течением…
Заключение
Нанонаука основана на изучении, создании и модифицировании объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия. Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру (10~9м).
Идею же создания специальных приборов, способных проникнуть в глубину материи до границ наномира, выдвинул выдающийся американский инженер-электрик и изобретатель, физик, философ сербского происхождения Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа.
Наноструктурные материалы могут найти самые разнообразные применения в автомобильной промышленности, прежде всего, в производстве лаков, легких конструкций, новых приводных устройств, амортизаторов и т. п.
Важнейшими свойствами наноструктур, отличающими их от обычных материалов, являются повышенная диффузионная и миграционная способность атомов, молекул веществ и электронов по поверхности твердых наноструктур, а для жидких наноструктур - ускоренная диффузия внутри них, повышенная прочность изолированных твердых наноструктур и способность твердых наноструктур к самоорганизации и самосборке.
Автопромышленность стала одной из первых отраслей, где быстро поняли выгоду нанотехнологий. В автомобиле сложно изобрести что-то принципиально новое; его основные элементы десятилетиями остаются все теми же — кузов, двигатель, подвеска, тормозная система, электрооборудование... приходится лишь совершенствовать каждый компонент. Концепт-кары ведущих мировых автодизайнеров поражают футуристичностью форм и технических решений. А воплощение в жизнь смелых идей уже невозможно без применения нанотехнологий.
Автомобильная промышленность проявляет большой интерес к нанотехнологиям, обеспечивающими новые возможности значительного уменьшения веса, улучшения эксплуатационных качеств, внешнего вида и пригодности к переработке для вторичного использования. Также исследуются новые направления использования нанокомпозитных материалов. Автопром лидирует в нанореволюции. Новый компаунд фторполимера с нанотрубками применяется при изготовлении уплотнительных колец для топливной системы автомобилей.
Осознание стратегической важности нанотехнологий привело к тому, что в разных странах на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются программы работ по нанотехнологиям. В России фундаментальные исследования по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них: программа “Физика наноструктур”, руководимая академиком Ж.И. Алферовым, и “Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлектронике”, руководимая академиком К.А. Валиевым. По последним данным, о состоянии российской наноиндустрии можно сказать следующее: достигнуты высокие результаты в области создания нанотехнологических приборов и установок.
Благодаря прорыву в области производства микроскопов современные ученые могут манипулировать атомами и располагать их так, как им заблагорассудится. Нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. Нанотехнология станет основой новой промышленной революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности человеческим клеткам. Уже создаются и будут создаваться устройства, функциональные возможности которых определяются необычными свойствами новейших материалов. Благодаря обработке на атомарном уровне, привычные материалы будут обладать улучшенными свойствами, постепенно становясь все легче, прочнее и меньше по объему.
Нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований. Возросшие требования к образованию, потребность в новых методах и концепциях обучения потребует от будущих учителей новаторства и активности. Перед философами, экономистами и политологами встанет множество новых вопросов, требующих нетрадиционных решений в условиях нанотехнического прогресса. Искусство шествует вслед за прогрессом, не желая оставаться “за бортом” и стремясь всегда адекватно отражать окружающую нас действительность. Таким образом, перспективы развития науки и техники также определяют пути искусства.
Приложения.
Задача 1.
Частицы с массой m и энергией E движутся слева на потенциальный барьер. Найти: а) коэффициент отражения R этого барьера при
; б) эффективную глубину проникновения частиц в область x>0, при 
, т.е. расстояние от границы барьера до точки, где плотность вероятности нахождения частицы уменьшается в e раз.
| Дано: | СИ | Решение: |
| m E |
|
При x<0 решение уравнения Шредингера(рис.) имеет вид: Отношение квадрата модуля амплитуды отраженной волны При Ответ: а) |
| Найти: R=? |
, где 
, а коэффициенты 
и 
являются комплексными амплитудами падающей и отраженной волн соответственно.
к квадрату модуля амплитуды падающей волны 
определяет коэффициент R, т.е. 
.
, где 
, 
=
. При 
, где 
. 
при 
; б) 
Задача 2.
Найти для электрона с энергией E вероятность D прохождения потенциального барьера, ширина которого равна 1 и высота 
, если барьер имеет форму, показанную: а) рисунок 1; б) рисунок 2.
| Дано: | СИ | Решение: |
| E |
|
Рис. 1. Рис. 2. Для потенциала, изображенного на рисунке 1, при
Для потенциала, изображенного на рисунке 2,
Ответ: а) |
| Найти: D=? |
и поэтому:
.
при 
определяется из условия 
, откуда получаем 
.
.
; б) Задача 3.
Короткий импульс света с энергией E=7.5 Дж, в виду узкого, почти параллельного пучка падает на зеркальную пластинку с коэффициентом отражения p=0.60. Угол падения 
Определить с помощью корпускулярных представлений импульс, переданный пластинке.
| Дано: | СИ | Решение: |
|
| Дж | Пусть N-число фотонов в импульсе света с полной энергией E. Полный импульс налетающих фотонов равен Модуль импульса, переданного пластине, равен
Подставляя в это выражение численные значения величин, находим Ответ: |
| Найти:
| нН*с |
. Где n-единичный вектор в направлении движения налетающих фотонов. От зеркальной пластинки C с коэффициентом отражения p отразится 
фотонов. Их общий импульс определяется выражением 
, где 
-единичный вектор в направлении движения отраженных фотонов. Импульс, переданный пластине, равен 
.
, где 
-угол между векторами n и 
.
.
Задача 4.
Частица движется слева направо в одномерном потенциальном поле, показанном на рисунке. Левее барьера, высота которого U=15эВ, кинетическая энергия частицы T=20эВ. Во сколько раз и как изменится дебройлевская длина волны частицы при переходе через барьер?
| Дано: | СИ | Решение: |
|
| эВ эВ |
Получаем выражение для дебройлевской длины волны частицы в различных областях пространства:
В области, где
Справа от барьера, где потенциал имеет заданное значение
Таким образом, при прохождении барьера длина волны частицы возрастает в Ответ: длина волны возрастет в |
| Найти:
| м/м |
Поскольку кинетическая энергия частицы по условию задачи мала по сравнению с энергией покоя, то в данном случае можно воспользоваться формулами нерелятивистской механики. Из закона сохранения энергии:
, следует, что модуль импульса частицы как функция ее координаты x, определяется выражением:
.
.
:
.
,длина волны равна:
.
, следовательно, 
.
раза.
=?Задача 5.
Частица массой m находится в одномерной потенциальной яме в основном состоянии. Найти энергию основного состояния, если на краях ямы ψ – функция вдвое меньше, чем в середине ямы.
| Дано: | СИ | Решение: |
| m | кг |
Решение этого уравнения можно записать в виде:
Решение этого уравнения, соответствующее минимальному значению энергии, имеет вид:
В результате, для энергии частицы в основном состоянии получаем выражение:
Ответ: |
| Найти:
| Дж |
В области 
, в которой потенциал равен нулю: 
, где 
.
, где A и B – некоторые константы. Поскольку по условию задачи 
, причем 
, приходим к выводу, что 
. Учитывая требование 
, получаем уравнение 
.
.
=?Задача 6.
Излучение Солнца по своему спектральному составу близко к излучению абсолютно черного тела, для которого максимум испускательной способности приходится на длину волны 0.48 мкм. Найти массу, теряемую Солнцем ежесекундно за счет этого излучения. Оценить время, за которое масса Солнца уменьшится на 1%.
| Дано: | СИ | Решение: |
|
|
| С помощью закона смещения Вина найдем температуру поверхности Солнца:
Энергия, теряемая Солнцем в виде излучения в единицу времени P, определяется произведением его энергетической светимости M на площадь излучающей поверхности:
Согласно теории относительности Эйнштейна, энергия покоя тела
Таким образом, время
Ответ: |
| Найти:
|
|
, где b-постоянная Вина. 
, где R-радиус Солнца, используя закон Стефана-Больцмана для вычисления светимости M и формулу 
, где 
- постоянная Стефана-Больцмана.
(в данном случае – Солнца)связана с его массой m соотношением:
, где c – скорость света. Поэтому, скорость уменьшения массы Солнца за счет его излучения определяется равенством:
.
, в течение которого происходит относительное уменьшение массы Солнца 
, приближенно равно:
.
; 
=?
Задача 7.
Точечный изотропный источник испускает свет с λ=589нм. Световая мощность источника P=10Вт. Найти: а) среднюю плотность потока фотонов на расстоянии r=2.0 метра от источника;
б) расстояние от источника до точки, где средняя концентрация фотонов 
| Дано: | СИ | Решение: |
|
|
| Найдем число фотонов, испускаемых источником в единицу времени
Окружим точечный источник сферической поверхностью радиуса r. Очевидно, что число фотонов, пролетающих через эту поверхность в единицу времени, равно
Расстояние r, на котором имеется заданная концентрация фотонов, определяется выражением:
Ответ:
|
.
.
.
.
Задача 8.
Имеется два абсолютно черных источника теплового излучения. Температура одного из них 
Найти температуру другого источника, если длина его волны, отвечающая максимуму его испускательной способности, на 
больше длины волны, соответствующей максимуму испускательной способности первого источника.
| Дано: | СИ | Решение: |
|
| Длина волны, на которую приходится максимум излучения первого источника, согласно закону смещения Вина, вычисляется по формуле:
По условию задачи максимум испускательной способности второго источника приходится на длину волны: Вновь применяя закон смещения Вина, и используя выражение
Ответ: | |
| Найти:
|
.
.
=?Задача 9.
Найти длину волны коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра, если скорость электронов, подлетающих к антикатоду трубки, ν=0.85с, где c – скорость света.
| Дано: | СИ | Решение: |
|
| Коротковолновая граница сплошного рентгеновского спектра
Поскольку, по условию задачи скорость электронов не мала по сравнению со скоростью света:
Ответ: | |
| Найти:
|
|
вычисляется по формуле:
, с учетом условия, что вся кинетическая энергия электрона T, подлетающего к антикатоду трубки, трансформируется в энергию излучения, т.е. 
=T, и, следовательно:
.
, где 
.
Задача 10.
При поочередном освещении поверхности некоторого металла светом с длинами волн λ1= 0.35мкм и λ2=0.54мкм, обнаружили, что соответствующие максимальные скорости фотоэлектронов отличаются друг от друга в η=2.0 раза. Найти работу выхода с поверхности этого металла.
| Дано: | СИ | Решение: |
|
|
Ответ: | |
| Найти:
|
|
, где m-масса электрона, 
- длина волны падающего излучения. Вычисляя отношение максимальных скоростей электронов, соответствующих длинам волн 
и 
:
, получаем уравнение:
, из которого находим:
.
=?
Тест
1.Тело, относительно которого рассматривают движение, называют:
1) системой координат;
2) телом отсчета;
3) системой отсчета;
2.Кто сформулировал теорию относительности?
1) Больцман;
2) Лобачевский;
3) Эйнштейн;
3.Уравнение Клайперона - Менделеева – это уравнение, описывающее зависимость между давлением идеального газа, его объемом и:
1) количеством молекул идеального газа;
2) абсолютной температурой;
3) плотностью идеального газа;
4.Изменение направления распространения электромагнитных волн на границе раздела двух сред называется:
1) отражением волн;
2) преломлением волн;
3) дифракцией волн;
5.Сила, с которой тело вследствие его притяжения Землей действует на опору или растягивает подвес, называется:
1) весом тела;
2) массой тела;
3) силой тяжести;
6.Что наряду с работой является мерой изменения внутренней энергии системы?
1) потенциальная энергия;
2) теплопроводность;
3) количество теплоты;
7.Агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия – это:
1) твердое тело;
2) жидкость;
3) газ;
8.Иногда при полете самолета слышен сильный хлопок. Что это означает?
1) Что самолет идет на посадку;
2) Что самолет теперь летит со сверхзвуковой скоростью;
3) Что пилот решил катапультироваться;
9. Количественная мера различных форм движения материи и различных видов взаимодействий – это…
1) инерция;
2) энергия;
3) дивергенция;
10. Изопроцесс, при котором T=const:
1) изотермический процесс;
2) изохорный процесс;
3) изобарный процесс.
Список использованной литературы
1. Балабанов, В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. /В.И. Балабанов. - М.: Эксмо, 2008. - 256 с.
2. Рыбалкина, М. Нанотехнологии для всех. /М. Рыбалкина. - М.: Nanotechnology News Network, 2006. - 444 с.
3. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. / Н. Кобаяси, пер. с япон. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 134 с.
4. http://www.volkswagen.ru/ru/ru.html
5. http://www.mercedes-benz.ru/
6. http://www.ntsr.info/
7. http://www.nanonewsnet.ru
Похожие работы
... технологий, вместе взятых [[32]]. Сегодня объем мирового рынка нанотехнологической продукции измеряется в миллиардах долларов (пока этот рынок составляют главным образом новые материалы и порошки, улучшающие свойства материалов), а к 2015 году, по прогнозам западных специалистов, он превысит $1 трлн [[33]]. В недалеком будущем экономическое, военное, социальное и политическое положение развитых ...
... сходят со стапелей Волгограда, Тюмени, Тобольска, Благовещенска. Железнодорожное машиностроение является одной из старейших отраслей тяжелого машиностроения. Оно получило развитие там, где начала складываться железнодорожная сеть страны. Современные электровозы, тепловозы, пассажирские и специальные вагоны не только являются материалоемкой продукцией, использующей разнообразные конструкционные ...
... научные конференции и научная литература, которую следует предложить студентам для дополнительного изучения. 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ ПО ТЕМЕ "НАНО МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ" СО СТУДЕНТАМИ УЧРЕЖДЕНИЙ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ 2.1 Методика организации лекционного занятия по теме "Наноматериалы и нанотехнологии" В педагогической литературе рекомендуется использовать ...
... полностью соответствовать модели новой экономической формации, где единственным предметом обмена станет информация. 2.3. Проблемы и перспективы развития нанотехнологий в машиностроении 2.3.1. Перспективы развития нанотехнологий в машиностроении Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации, изложенными в утвержденных 30 марта 2002 г. Президентом Российской Федерации « ...
0 комментариев