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.

В условиях постоянного развития науки и промышленности химия и химическая технология предлагают миру постоянные инновации. Как правило, их суть заключается в совершенствовании методов переработки сырья в предметы потребления и/или средства производства. Происходит это благодаря целому ряду процессов.

Новые химические технологии позволяют:

• вводить в хозяйственную деятельность новые виды сырья и материалов;
• перерабатывать абсолютно все виды сырья;
• заменять дорогостоящие компоненты более дешевыми аналогами;
• комплексно использовать материалы: получать из одного вида сырья разные продукты и наоборот;
• рационально расходов, вторичная переработка.

Можно сказать, что общая химическая технология, во многом перераспределяет и регулирует производственные процессы, что на сегодняшний день очень актуально в силу множества положительных факторов, имеющих значение для людей, связанных с промышленностью.

Классификация и описание подотраслей

Химические технологии можно классифицировать по типам веществ, с которыми ведется работа: органическими и неорганическими. Специфика работы зависит от поставленных задач и особенностей сферы, на которую ориентирован конечный продукт.

Химическая технология неорганических веществ - это например, производство кислот, соды, щелочей, силикатов, минеральных удобрений и солей. Все эти продукты широко используются в разных отраслях промышленности, в частности, металлургии, а также в сельском хозяйстве и др.

В фармацевтике и машиностроении часто используют каучуки, спирт, пластмассы, различные красители и т.д. Их производством занимаются предприятия, использующиетехнологии получения органических веществ. Многие из этих предприятий занимают серьезные позиции в отрасли и совей работой существенно влияют на экономику государства.

Абсолютно все процессы и аппараты химической технологии подразделяются на пять основных групп:

• гидромеханические;
• тепловые;
• диффузионные;
• химические;
• механические.

В зависимости от особенностей организации, процессы химической технологии бывают непрерывные и периодические.

Современные задачи химической технологии

В связи с повышением интереса к экологической ситуации в мире возрос спрос на инновации, способные оптимизировать процессы производства, уменьшить объемы расходуемого сырья. Это касается также энергетических затрат. Данный вид ресурсов является очень ценным в рамках производства, потому за его расходованием необходимо следить и по возможности минимизировать. С этой целью сегодня активно разрабатываются и внедряются энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии. С их помощью производство рационализируют, предотвращая чрезмерные затраты расходных материалов разных категорий. Таким образом, уменьшается вредное воздействие технологий химического производства и антропогенных факторов на природу.

Химическая технология в промышленности на сегодняшний день стала неотъемлемой частью процессов изготовления конечного продукта. Сложно оспорить тот факт, что именно эта сфера человеческой деятельности оказывает наиболее пагубное влияние на состояние планеты в целом. Именно поэтому ученые делают все возможное для предотвращения экологической катастрофы, хотя темпы популяризации и внедрения таких разработок все еще недостаточны.

Применение современных химических технологий способствует улучшению состояния природы, минимизируя объемы используемых в производстве материалов, обеспечивая замену токсичных веществ более безопасными и внедрение в производство новых соединений и т.д. В задачей является восстановление ущерба, нанесенного окружающей среде: истощение ресурсов планеты, загрязнение атмосферы. На протяжении последних лет особенно активно проводятся различные исследования в сфере экологии и рационализации влияния производств на окружающую среду. Обязательный характер приобретает совмещение эффективной деятельности предприятия с безопасностью и нетоксичностью конечных продуктов.

Теоретические основы химической технологии

По мере развития смежных отраслей, подвергаются постоянной модернизации и обновлению основные процессы и аппараты химической технологии, глубже изучаются основные аспекты производства, принципы их работы и эксплуатация машин, используемых для выполнения операций. Базу таких дисциплин составляют теоретические основы химической технологии.

В государствах, признанных мировыми лидерами, обучение студентов на технических специальностях именно в этом направлении считается наиболее важным. Причиной тому, во-первых, определяющая роль процессного инжиниринга в деятельности химической промышленности. А во-вторых, растущее значение данной дисциплины на межотраслевом уровне.

Несмотря на существенные отличия между разными отраслями промышленности, в их основе лежат одни и те же принципы, вписываются различные физические закономерности, химические процессы, тесно взаимосвязанные с современными инженерными отраслями, в том числе материаловедением. Химические технологии за последние годы глубоко проникли даже в те сферы, где допустить их присутствие никому не приходит в голову. Таким образом, на современных рынках все чаще заходит речь о роли процессного инжиниринга в более глобальном смысле, нежели в рамках операций одной отрасли.

Основы химической технологии в отечественном образовании

Успешное развитие той или иной отрасли невозможно при отсутствии качественных учебных заведений, выпускающих квалифицированных специалистов. Поскольку химическая промышленность является важной составляющей экономики страны, требуется создать все необходимые условия для подготовки ценных кадров в этой сфере. На сегодняшний день основы химической технологии являются частью обязательной программы по смежным специальностям во многих высших учебных заведениях по всему миру.

К сожалению, принципы обучения техническим направлениям в России и некоторых странах СНГ кардинально отличаются от методик, принятых в европейских странах и Америке. Это, как правило, негативно сказывается на качестве высшего образования. Например, основные акценты все еще делаются на узких химико-технологических специальностях, а также много внимания уделяется конструкторско-эксплуатационным отраслям механики. Столь узкопрофильные характеристики высшего образования стали основной причиной отставания отечественных производств от зарубежных по таким критериям, как качество продукции, ресурсоемкость, экологичность и т.д.

Основная ошибка состояла в недооцененности процессного инжиниринга как системообразующей и всесторонне применимой дисциплины, и на данный момент основная задача отечественной промышленности - уделять намного больше внимания ее освоению и развитию. На сегодняшний день вопросы подготовки квалифицированных кадров, а также налаживания и оптимизации производства - наиболее насущные проблемы на территории СНГ и РФ в частности.

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 .

, нефтехимическая промышленность , энергетика, транспорт, военная техника и многие другие.

Химические технологии в историческом развитии

При рассмотрении развития химической технологии XX в., особенно после первой мировой войны, можно вскрыть некоторые характерные, специфические ее черты. Известно, что 99,5% земной коры состоит из 14 химических элементов : кислорода, кремния, углерода, алюминия, железа, кальция, натрия, магния, калия, водорода, титана, фосфора, хлора и серы. Однако, несмотря на массовое распространение многих из этих элементов, они не были втянуты в орбиту химической промышленности в XIX в. Это в равной мере относится и к фтору, титану, хлору, магнию, алюминию и к водороду.

Для химической технологии XX в. характерно обращение именно к этим наиболее распространенным элементам. Водород в настоящее время — это хлеб современной химии . Синтез аммиака , синтез спиртов, синтез жидкого топлива и т. д. ежегодно требуют производства миллиардов кубических метров водорода. Широкое вовлечение водорода в химическое производство — характерная черта химии XX в.

Большое значение в современной технике приобретает химия кремния и, в частности, химия кремнийорганических соединений. Исключительное значение приобретает также химия титана, хлора, магния, калия, алюминия. Вместе с тем химическая технология, особенно в связи с развитием атомной и реактивной техники, стремится использовать наиболее редкие и рассеянные элементы земной коры, являющиеся важнейшей основой техники XX в.

Основой органического синтеза XIX в. была каменноугольная смола, получаемая при коксовании углей. В XX веке это сырье уступает свое место простым и легкодоступным газам, получаемым из широкой гаммы твердых топлив, начиная от торфа, низкосортных бурых углей и кончая антрацитом и коксом. В больших масштабах используются газы, получаемые при добыче и переработке нефти. На протяжении XX в. все шире используются природные ископаемые газы (рис. 1).

Рис1. Продукты, получаемые из природного газа (метана).

Таким образом, если в XIX в. основой химической промышленности являлась каменноугольная смола, то в первой половине XX в. основной сырьевой базой промышленности органического синтеза становятся уголь и нефть и получаемые из них газы: водород, окись углерода, богатейшая гамма углеводородов и целый ряд других материалов. Азот, водород, кислород, хлор, фтор, окись углерода, метан, ацетилен, этилен и некоторые другие газы являются основной сырьевой базой современной химии. Следовательно, характерной чертой новейшей химической технологии являются применение распространенных элементов, ранее использовавшихся в ничтожных масштабах, и превращение их в основу современной химической технологии, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.

Характерной чертой химической технологии является также использование редких элементов, связанных, в частности, с требованиями атомной техники. Химия в значительной мере способствует развитию ядерной техники, давая ей различные материалы — металлы (уран, литий и др.), тяжелую воду, водород, пластмассы и др.

Следует отметить, что одной из особенностей современной химии является требование к чистоте производимых продуктов. Примеси, содержащиеся в исходных веществах, часто отрицательно влияют на свойства получаемого продукта. Поэтому в последнее время в химической промышленности все более применяются очень чистые исходные вещества (мономеры), содержащие не менее 99,8—99,9% основного вещества. Характерной особенностью современной химической технологии является то, что на ее вооружение становятся новые методы воздействия; особенно важным являются применение высоких давлений от нескольких сот до 1500—2000 и выше атмосфер, глубокого вакуума (до тысячных долей атмосферы), высоких температур до нескольких тысяч градусов, применение глубокого холода (низкие температуры, близкие к абсолютному нулю), а также использование электроразрядов, ультразвука, радиоактивных излучений и т. д. Естественно, что повышение технического уровня химического производства вообще, а следовательно, и быстрое развитие промышленности органического синтеза в частности обеспечиваются снабжением химической промышленности современным, высокопроизводительным оборудованием, соответствующими аппаратами и машинами.

Вначале было освоено производство основной аппаратуры для синтеза аммиака. Были разработаны и созданы колонны синтеза, сепараторы, водяные и аммиачные скрубберы для очистки газов от углекислого газа и окиси углерода, а также центрифуги, вакуум-фильтры, автоклавы для вулканизации резины, прессы для пластмасс, аппаратура глубокого охлаждения и т. д. Особое значение начиная с 20-х годов приобрели мощные установки разделения нефтяных газов, высокоэффективная ректификационная и адсорбционная аппаратура, компрессоры высокого давления и реакторы, холодильные установки и др. Основной тенденцией современной химии является стремление заранее проектировать молекулярную структуру вещества в соответствии кислород, хлор, фтор, окись углерода, метан, ацетилен, этилен и некоторые другие газы являются основной сырьевой базой современной химии.

Следовательно, характерной чертой новейшей химической технологии являются применение распространенных элементов, ранее использовавшихся в ничтожных масштабах, и превращение их в основу современной химической технологии, а также широкое использование в качестве химического сырья твердого топлива, жидких и газообразных углеводородов.

Характерной чертой химической технологии является также использование редких элементов, связанных, в частности, с требованиями атомной техники. Химия в значительной мере способствует развитию ядерной техники, давая ей различные материалы — металлы (уран, литий и др.), тяжелую воду, водород, пластмассы и др.

Следует отметить, что одной из особенностей современной химии является требование к чистоте производимых продуктов. Примеси, содержащиеся в исходных веществах, часто отрицательно влияют на свойства получаемого продукта. Поэтому в последнее время в химической промышленности все более применяются очень чистые исходные вещества (мономеры), содержащие не менее 99,8—99,9% основного вещества. Характерной особенностью современной химической технологии является то, что на ее вооружение становятся новые методы воздействия; особенно важным являются применение высоких давлений от нескольких сот до 1500—2000 и выше атмосфер, глубокого вакуума (до тысячных долей атмосферы), высоких температур до нескольких тысяч градусов, применение глубокого холода (низкие температуры, близкие к абсолютному нулю), а также использование электроразрядов, ультразвука, радиоактивных излучений и т. д. Естественно, что повышение технического уровня химического производства вообще, а следовательно, и быстрое развитие промышленности органического синтеза в частности обеспечиваются снабжением химической промышленности современным, высокопроизводительным оборудованием, соответствующими аппаратами и машинами. Вначале было освоено производство основной аппаратуры для синтеза аммиака. Были разработаны и созданы колонны синтеза, сепараторы, водяные и аммиачные скрубберы для очистки газов от углекислого газа и окиси углерода, а также центрифуги, вакуум-фильтры, автоклавы для вулканизации резины, прессы для пластмасс, аппаратура глубокого охлаждения и т. д. Особое значение начиная с 20-х годов приобрели мощные установки разделения нефтяных газов, высокоэффективная ректификационная и адсорбционная аппаратура, компрессоры высокого давления и реакторы, холодильные установки и др. Основной тенденцией современной химии является стремление заранее проектировать молекулярную структуру вещества в соответствии с заранее заданными свойствами. Синтез веществ с заранее заданными свойствами в современной химии ведется не вслепую, а на основании глубокого изучения законов образования молекул. Поэтому большое развитие получает целый ряд новых разделов химической науки.

По существу, от случайных поисков и находок химия начиная с 1920-х годов перешла к планомерной замене и вытеснению естественных дефицитных материалов материалами, по качеству не только не уступающими, а, наоборот, превосходящими эти естественные материалы. Например, чилийская природная селитра была вытеснена синтетическими азотными соединениями. Синтетический каучук по своим качествам не уступает каучуку естественному. В последние годы некоторые исследователи работают над поднятием качества не синтетического, а естественного каучука, чтобы он мог конкурировать с некоторыми специальными видами синтетических каучуков. Большие успехи достигнуты в области синтеза искусственного волокна, производство которого насчитывает каких-нибудь несколько десятков лет.

Начиная с 1920-х годов естественные продукты как бы оттесняются в сторону и на их место приходят не уступающие им по качеству синтетические продукты. Это совершенно естественный процесс. Дело в том, что химические методы обработки вещества, внедрение химических процессов в производство приводят к сильному сокращению времени производства и к значительному снижению трудовых затрат, а вместе с тем и к получению продуктов более высокого качества, чем натуральные продукты. Так, если па выпуск 1 т искусственного вискозного штапельного волокна требуется 70 человеко-дней, то на производство 1 т хлопчатобумажного волокна затрачивается 238 человеко-дней. При производстве вискозного шелка трудовые затраты примерно в 10 раз меньше, чем при производстве натурального шелка. При получении 1 т этилового спирта (необходимого для производства ряда синтетических продуктов) из нефтяного сырья затраты труда по сравнению с производством этого спирта из пищевого сырья уменьшаются в 20—22 раза.О том, как много сделано в области синтеза новых веществ, говорят следующие данные. В настоящее время известно 100 тыс. неорганических химических соединений в природе, число же известных органических веществ, природных и искусственных, превысило три миллиона и продолжает быстро расти. Только промышленно освоенные соединения, полученные на базе нефти, насчитывают 10 тыс. наименований. Наряду с созданием новых синтетических материалов идет непрерывный процесс улучшения качества уже существующих, вырабатываемых промышленностью веществ. Наконец, в настоящее время доказана принципиальная возможность искусственного получения природных соединений любой сложности. Недалеко то время, когда в лабораториях химиков-органиков будут синтезированы различного вида сложные белковые вещества, являющиеся основой жизни.

Характерной чертой современной техники является то, что она развивается на базе широчайшего применения электричества. Причем если раньше паровая машина лишь в какой-то степени давала технологическое «сырье» для химической промышленности в виде пара и тепла, то электричество становится важнейшим элементом своеобразного технологического «сырья» для таких, например, процессов, как электролиз.

Для производства аммиака, синтезированного из полученного электролизом воды водорода и азота воздуха, нужно израсходовать примерно 12 тыс. квт-ч электроэнергии. Для изготовления синтетического каучука на основе этилена расходуется около 15 тыс. квт-ч, а для некоторых других видов каучука — 17 тыс. квт-ч и даже больше. На производство одной тонны ацетатного шелка расходуется 20 тыс. квт-ч, тонны фосфора — от 14 до 20 тыс. квт-ч и тонны искусственных абразивов — около 6—9 тыс. квт-ч — это примерно столько же, сколько и на производство мощного трактора.

Для развития химической промышленности характерна широчайшая автоматизация технологических процессов. Комплексная автоматизация прежде всего необходима именно в химической промышленности, для которой характерны крупные масштабы производства. Автоматизации химической промышленности способствует преобладание в ней непрерывных процессов производства, а также вредных и даже опасных работ. В химической промышленности прежде всего полностью автоматизированы процессы регулирования температуры, давления, состава, скорости протекания реакций и т. д., так как для непрерывных химических процессов (недоступных для непосредственного наблюдения) особенно важно поддерживать стабильность технологических режимов. В химическом производстве в основном осуществлена полная механизация и автоматизация, а за человеком остаются лишь функции надзора и контроля, а также выполнение профилактического ремонта.

Важнейшими направлениями автоматизации химического производства являются внедрение новых автоматических устройств, основанных на использовании электронных математических машин, переход к комплексной механизации и автоматизации целых химических заводов. В США наибольшее развитие автоматизация производства получила именно в нефтяной и химической промышленности. Наряду с автоматизацией управления отдельных установок, отдельных технологических процессов вводятся в строй полностью автоматизированные предприятия, как, например, пущенный в 1949 г. в эксплуатацию нефтеперерабатывающий завод, оборудованный электронной системой управления производственными процессами, а затем аммиачный завод фирмы « Спенсер Кэмикл», отличающийся высокой степенью автоматизации производственных процессов. Бурное развитие химии привело к тому, что только на протяжении 10—15 лет после окончания второй мировой войны были созданы сотни новых материалов, заменяющих металл, дерево, шерсть, шелк, стекло и многое другое.

Ускоренными темпами идет развитие производства синтетических материалов, требующихся для обеспечения технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства. При этом характерным являются рост производства минеральных удобрений, а также ядохимикатов и аммиака, увеличение использования нефтяных и природных газов, коксового газа и продуктов коксования углей для производства синтетических смол, каучука, спирта, моющих средств, высококачественных лаков и красителей, пластмасс, искусственного волокна, электроизоляционных материалов, специальных материалов для машиностроения, радиотехники и др.

В частности, осуществляется внедрение новых эффективных методов синтеза, чтобы избежать расходования огромных количественных пищевых продуктов при производстве изделий технического назначения. Например, расход огромного количества зерна на производство этилового спирта для получения синтетического каучука выдвинул задачу замены пищевых продукто в синтетическим спиртом. Для получения 1 т этилового спирта вместо 4 т зерна или же 10 т картофеля достаточно израсходовать 2 т сжиженного природного газа. Для производства 1 т синтетического каучука вместо почти 9 т зерна или 22 т картофеля достаточно затратить только около 5 т сжиженных газов нефтеперерабатывающих заводов.

Многие экономисты считают, что в ближайшее десятилетие более 50% мировой химической продукции будет получено из нефтяного сырья. Все это говорит о больших достижениях органического синтеза.

После Октябрьской революции 1917 развитие социалистического производства потребовало расширения сферы практического приложения химии, повышения роли специального химического и химико-технологическго образования, поднятия уровня подготовки как исследователей и преподавателей, так и инженеров-химиков. В начале 1920-х гг. организуются самостоятельные химические отделения в составе физико-математических факультетов университетов. На этих отделениях введены специализации по неорганической, физической, органической, аналитической химии , биохимии и агрохимии. В 1920 создан Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева. С 1929 на базе химических отделений в университетах открываются самостоятельные химические факультеты для подготовки специалистов для научно-исследовательских учреждений и лабораторий химических производств, создаются новые химико-технологические институты.

С середины 1950-х гг. в химии и химической технологии создаются тончайшие методы исследования различных веществ, производятся новые материалы — химические волокна, пластмассы, ситаллы, полупроводники, новые физиологически активные вещества и лекарственные препараты, химические удобрения и инсектофунгициды. Химия проникла во все отрасли науки и народного хозяйства. Химическое образование поэтому стало составной частью подготовки специалистов в политехнических, индустриальных, металлургических, энергетических, электротехнических, машино- и приборостроительных, геологических, горных, нефтяных, с.-х., лесотехнических, медицинских, ветеринарных, пищевой, лёгкой промышленности и др. высших и средних специальных учебных заведениях.

Специалистов для научной и педагогической деятельности готовят главным образом химические факультеты университетов и педагогические институты, а также факультеты химико-биологические, биолого-химические, естествознания и др.

Подготовка специалистов-химиков в советских университетах длится 5 лет (на вечерних и заочных отделениях — до 6). Здесь изучаются специальные курсы неорганической, органической, аналитической, физической, коллоидной химии, кристаллохимии , общей химической технологии, химии высокомолекулярных соединений . Свыше половины учебного времени по специальным дисциплинам занимает работа студентов в лабораториях. Студенты проходят производственную практику (28 нед.) на предприятиях, в научно-исследовательских учреждениях и лабораториях.

Подготовка специалистов по химии и химической технологии и преподавателей для высших учебных заведений продолжается в аспирантуре Наиболее крупными центрами подготовки специалистов-химиков, кроме университетов, являются институты: Московский химико-технологический им. Д. И. Менделеева, Ленинградский технологический им. Ленсовета, Московский институт тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова, Белорусский технологический им. С. М. Кирова, Воронежский технологический, Днепропетровский химико-технологический им. Ф. Э. Дзержинского, Ивановский химико-технологический, Казанский химико-технологический им. С. М. Кирова, Казахский химико-технологический и др.

Специалисты-химики (техники-технологи) готовятся также в средних специальных учебных заведениях — в химических и химико-технологических техникумах, расположенных, как правило, в центрах химической промышленности, при крупных химических комбинатах. В 1977 свыше 120 таких учебных заведений готовили техников свыше 30 химических и химико-технологических специальностей (химическая технология нефти, газа, угля, стекла и изделий из него, технология химических волокон и др.). Окончившие эти учебные заведения используются на химических производствах в качестве мастеров, бригадиров, лаборантов, аппаратчиков и др. Химико-технологические профессионально-технические училища удовлетворяют потребность в квалифицированных рабочих для различных отраслей химической промышленности.

Совершенствование структуры и содержания химического и химико-технологического образования связано с научной и педагогической деятельностью многих советских учёных — А. Е. Арбузова, Б. А. Арбузова, А. Н. Баха, С. И. Вольфковича, Н. Д. Зелинского, И. А. Каблукова , В. А. Каргина, И. Л. Кнунянца, Д. П. Коновалова, С. В. Лебедева, С. С. Наметкина , Б. В. Некрасова, А. Н. Несмеянова, А. Е. Порай-Кошица, А. Н. Реформатского, С. Н. Реформатского, Н. Н. Семенова, Я. К. Сыркина, В. Е. Тищенко, А. Е. Фаворского и др. Новые достижения химически наук освещаются в специальных химических журналах, помогающих в совершенствовании научного уровня курсов химии и химической технологии в высшей школе.

В развитых странах крупными центрами структуры и содержания химического и химико-технологического образования являются: Великобритании — Кембриджский, Оксфордский, Батский, Бирмингемский университеты, Манчестерский политехнический институт; в Италии — Болонский, Миланский университеты; в США — Калифорнийский, Колумбийский, Мичиганский технологические университеты, Толедский университет, Калифорнийский, Массачусетсский технологические институты; во Франции — Гренобльский 1-й, Марсельский 1-й, Клермон-Ферранский, Компьенский технологический, Лионский 1-й, Монпельеский 2-й, Парижские 6-й и 7-й университеты, Лоранский, Тулузский политехнические институты; в Гепмании — Дортмундский, Ганноверский, Штутгартский университеты, Высшие технические школы в Дармштадте и Карлсруэ; в Японии — Киотский, Окаямский, Осакский, Токийский университеты и др.

, М., 1971;

Основы технологии и нефтехимического синтеза , под ред. А. И. Динцеса и Л. А. Потоловского, М., 1960.

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.