Естествознание. Базовый уровень. 11 класс
Шрифт:
Благодаря своим уникальным свойствам наноматериалы стремительно завоёвывают мир. Эти свойства в первую очередь обусловлены их нанометровыми размерами. В отличие от своих макро– и микроскопических собратьев, наночастицы свободны от механических дефектов, что позволяет использовать их, например, для хранения информации и нужд микроэлектроники. За счёт чрезвычайно малых размеров возможно производить суперминиатюрные устройства.
На поверхности наноструктур находится относительно большое количество атомов, т. е. у них очень большая относительная площадь поверхности. Это свойство важно, например, для каталитических процессов, в которых наноматериалы способны ускорять реакции в тысячи и даже миллионы раз.
Помимо этого наноматериалы проявляют необычные свойства, которые не могут быть описаны привычными для нас законами классической механики. В них начинают проявляться
Многие нанотехнологии уже нашли практическое применение, а другие ещё находятся на стадии разработки. Одной из таких перспективных разработок является создание углеродных нанотрубок – цилиндрических структур из тонкого слоя графита особой структуры диаметром до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (рис. 256). Нанотрубки могут найти очень широкое применение – от создания новых типов транзисторов, дисплеев и фотодиодов до создания соединений между живыми нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
В 2010 г. Нобелевская премия по физике была присуждена двум русским учёным, работающим в Манчестерском университете, – Андрею Гейму и Константину Новосёлову. Премию они получили за то, что им удалось создать графен – плёнку, состоящую из обычного графита, который вставляют в карандаши, только эта плёнка имела толщину всего в один атом. Эта плёнка обладает настолько поразительными свойствами, что ещё недавно в возможность её существования никто не верил. Графен очень хорошо проводит электрический ток даже при комнатной температуре, что позволит заменить им кремний в полупроводниках и создавать на его основе сенсорные экраны, солнечные батареи, сотовые телефоны и сверхбыстрые компьютерные чипы.
Рис. 256. Нанотрубка
Рис. 257. Наноробот в кровеносном сосуде
Большой интерес в рамках нанотехнологий представляет создание нанороботов, разработка которых проводится в настоящее время (рис. 257). Это будут машины, сопоставимые по размерам с молекулами, которые будут способны двигаться, обрабатывать и передавать информацию, реализовывать заложенные в них программы, а возможно, и создавать себе подобные, т. е. самовоспроизводиться. Согласно другой точке зрения, нанороботы могут иметь и большие размеры – главное, чтобы они были способны манипулировать с объектами на наноуровне. Примитивные модели нанороботов существуют уже сейчас. Показано, что с их помощью можно управлять некоторыми химическими реакциями. Некоторые конструкторы нанороботов пытаются строить их на биологической основе, для чего используют фрагменты ДНК, называя свои создания ДНК-компьютерами.
Предполагают, что нанороботы могут найти применение в самых различных областях человеческой деятельности, особенно в медицине, где с их помощью можно будет диагностировать на ранней стадии многие заболевания (рак, диабет и др.), проводить хирургические микрооперации и осуществлять доставку лекарственных средств в нужные участки организма. Возможно, нанороботы смогут собирать различные системы из отдельных молекул.
Междисциплинарный характер нанотехнологии обеспечил ей распространение практически во всех отраслях науки и техники. В настоящее время технологические процессы производства интегральных микросхем уже осуществляются на нанометровом уровне в промышленных масштабах, и для дальнейшей миниатюризации преградой являются не технологические, а квантовые эффекты, проявляющие себя на микроуровне. Выпускаются фильтры, содержащие пористые наноматериалы. Они позволяют быстро и эффективно очищать воду не только от ионов, органических соединений, частиц грязи, но и от бактерий и даже вирусов. Появляются и первые медицинские препараты, позволяющие ускорять заживление ран и ожогов, а также эффективно убивать микробов. Наночастицы оксида титана и оксида цинка повсеместно стали использоваться в солнцезащитных кремах, поскольку именно они пропускают свет в видимом диапазоне и отсекают опасный для человека ультрафиолет.
В ближайшем будущем благодаря развитию нанотехнологии и биологии можно ожидать появления эффективных и безопасных лекарств, чувствительных датчиков, следящих за здоровьем человека, и, возможно, даже биокомпьютеров и биороботов.
1. Когда зародилась идея работы на наноуровне?
2. Каковы были предпосылки возникновения нанотехнологии?
3. Расскажите, чем занимается нанотехнология. Что такое нанометр?
4. Приведите примеры веществ и материалов, обладающих нанометровыми размерами.
5. Какими необычными свойствами обладают наноматериалы?
1. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию по одной из предложенных тем: «Бионаномашины и перспективы создания биокомпьютеров», «Наномедицина и её будущее», «Наноматериалы», «Нанотехнологии в медицине: новые подходы к доставке лекарств в организм», «Нанотехнология и экология: возможные опасности использования наноматериалов». Подготовьте и проведите конференцию по теме «Нанотехнологии и будущее человечества».
2. Подготовьтесь к дискуссии на тему «Военные приложения нанотехнологических разработок: за и против».
§ 76 Взаимодействие ноосферы и биосферы
К бригадиру лесорубов приходит человек и просит принять его на работу.
– А у вас достаточная квалификация? – спрашивает бригадир.
– Да, вполне!
– Ну, попробуйте срубить вон то дерево.
Претендент валит его одним ударом топора.
– А вот то, толстое?
Претендент тремя ударами сваливает толстенное дерево.
– Да, – говорит бригадир, – прекрасно! А где вы так научились
мастерству?
– Я несколько лет работал в лесах Сахары.
– Сахары?! Но ведь это пустыня.
– Конечно! Теперь там уже пустыня.
Трудно сказать, когда именно возникла ноосфера. Так как ноосфера означает сферу разума, то она должна была появиться вместе с появлением разумного человека. Но кого из предков современного человека можно считать разумным? Обладали ли примитивным разумом умелые и прямоходящие люди? Так или иначе наступило время, когда сфера человеческого разума стала активно вмешиваться в биосферные процессы. Когда начался этот процесс?
Мы говорили о том, что человека считают виновником вымирания многих животных ледникового периода. Но, во-первых, виновность человека у некоторых исследователей вызывает сомнения, а во-вторых, даже если это и так, то вряд ли это событие можно считать связанным с ноосферой. Человек начал заниматься загонной охотой около 15 тыс. лет назад, в результате чего численность многих животных сократилась, но в этом ещё трудно усмотреть влияние на биосферу разумной деятельности человека. С биосферной точки зрения в некоторых экосистемах просто появились очень ловкие и опасные хищники, деятельность которых и привела к снижению численности популяций их жертв. Такое бывало и до появления разумного человека. Появление копий и приспособлений для их метания глобально ничего не изменило.
По-видимому, началом активного воздействия ноосферы на биосферу следует считать неолитическую революцию. Тогда-то и возникло то, что в экологии называют антропогенным фактором. Одомашниванием животных и растений никто до человека не занимался (если, конечно, не считать муравьёв). Развитие человечества после неолитической революции представляет собой типичный пример системы с положительной обратной связью. Перейдя от охоты и собирательства к земледелию и животноводству, человечество обеспечило себя продовольствием, что позволило ему увеличить свою численность в десятки раз. Соответственно должна была возрастать и численность домашних животных, а им требовались пастбища, откуда изгонялись их дикие сородичи. То же самое происходило и с земледелием. Для расширения полей для своих посевов люди сжигали леса, причём из-за отсутствия правильного земледелия земля постоянно истощалась, лесов приходилось сжигать всё больше, а исчезновение лесов вело к обмелению и пересыханию рек.
Рис. 258. Пустыня Сахара
Рис. 259. Теплицы являются примером современных агроценозов
Одним из наиболее ярких примеров влияния скотоводства на природные экосистемы является возникновение пустыни Сахара (рис. 258). Около 10 тыс. лет назад на территории Сахары была саванна, где водились бегемоты, слоны, жирафы и страусы. Выпас человеком огромного количества скота привёл к уничтожению растительности, пересыханию водоёмов, исчезновению диких, а вслед за ними и домашних животных.