Новые понятия, которые должен усвоить ребенок: нанометр; нанообъекты: атом, молекула; молекулярные связи

Удивительная это вещь – путешествия. Наверняка многие согласятся с тем, что самые интересные книжки не обходятся без описания какого-нибудь невероятного путешествия и связанных с ним приключений. У каждого из нас есть любимые истории о путешествиях, из которых мы знаем, что путешествовать можно где угодно и куда угодно – по тайге и по пустыне, за моря и океаны, в ближайшее селенье или в далекие сказочные страны, даже на другие планеты! Читая книгу, можно отправиться в путешествие во времени: стать свидетелем событий давно минувших дней или же ненароком заглянуть в будущее – узнать, что ждет нас впереди.

В этой истории также рассказывается об одном путешествии, но путешествии не совсем обычном (даже можно сказать – о совсем необычном путешествии). Ведь для того, чтобы отправиться в удивительное путешествие по наномиру, нам не понадобится ни корабль, ни подводная лодка, ни воздушный шар, ни даже машина времени. Более того, нам вообще никуда не придется двигаться. Но не торопитесь расстраиваться, ведь несмотря на это, в наномир не так-то просто проникнуть. Для этого каждому из нас пришлось бы уменьшиться, как минимум, в миллиард раз (то есть стать примерно в 10 миллионов раз меньше дюймовочки или мальчика-с-пальчика)! Тут уж не помогут никакие транспортные средства.

Но обо всем по-порядку.

Наверное, наш юный читатель хорошо знаком с историей открытия Северной Америки (ну хотя бы понаслышке эту историю должен знать каждый). Как известно, испанский мореплаватель Христофор Колумб со своей командой отправился в плавание по Атлантическому Океану, чтобы приплыть из Испании в Индию (тогда в Индию добирались только сухопутным путем). Но вместо Индии Колумб приплыл на другой материк, о существовании которого он даже не подозревал (поэтому правильнее было бы сказать, что Колумб не открыл Америку, а случайно нашел ее). Этот никому в то время не известный материк назвали Америкой, (также его называли Новым Светом), а аборигенов, населявших его – индейцами (поскольку первое время Колумб считал, что приплыл он все-таки в Индию). И таким образом Америка, преспокойно просуществовавшая себе в неведении вплоть до XV века, после экспедиции Колумба сразу же попала в центр всеобщего внимания, что привело к ее активному освоению и колонизации.

История открытия наномира очень похожа на историю открытия Америки, только в отличии от Америки о наномире, также существовавшем на протяжении всей истории развития Земли, люди узнали еще позже – лишь в 30-х годах XX столетия (то есть чуть более 60–70 лет назад). А уж активное изучение его законов началось совсем недавно, так что человечеству предстоит еще ой как много открытий!

Итак, что же представляет собой этот таинственный наномир? Наномир – это часть реального, привычного нам мира, только часть эта настолько малых размеров, что увидеть ее с помощью обычного человеческого зрения совершенно невозможно. Впервые объекты наномира – нанообъекты – обнаружили в 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска – создатели первого электронного микроскопа (специального прибора для получения увеличенных в миллионы раз предметов). Что это были за нанообъекты, вы узнаете дальше.

Путешествуя по незнакомой стране, люди часто пользуются услугами гида-проводника. Гид сопровождает туристов при осмотре достопримечательностей, помогает им общаться с местными жителями, дает нужные советы о том, какие исторические места лучше посетить и т.д. Можно, конечно, путешествовать и без гида, но тогда вы вряд ли узнаете о новой стране много (особенно, если вам не знакомы ее язык, культура и законы). Поэтому в нашем путешествии по наномиру наc будет сопровождать один из самых умных и вежливых его обитателей – нанобот по имени Наннос (о том, кто такие наноботы и историю их появления Наннос расскажет нам потом. Уверяю вас, история наноботов – это очень интересная история).

Наннос очень гордится своим именем, и не только потому что оно имеет греческое происхождение («наннос» в переводе с греческого означает «малыш» или «карлик»), но еще и потому, что оно так благозвучно для мира, в котором он живет. Дело в том, что почти все названия здесь начинаются с «нано» – нанообъекты, нанотехнологии, нанопроцессы, наноматериалы, нанооборудование, наноботы, нановеличины даже наномедицина и нанокосмонавтика! А сама приставка «нано» означает одну миллиардную часть чего-либо, например, один нанометр в один миллиард раз меньше обычного метра.

Все объекты в наномире имеют нанометровый размер (поэтому они и называются нанообъектами). Средний рост наноботов также около нанометра. Для сравнения, человеческий волос приблизительно в шестьдесят тысяч раз! толще одного нанообъекта. Если мы с трудом можем разглядеть один волосок на одежде, то становится понятно, почему люди так долго ничего не знали о наномире – до изобретения сверхмощного микроскопа его просто невозможно было увидеть. Но для Нанноса это совсем несложная задача – ведь он такой же маленький, как и все предметы, его окружающие. И поэтому Наннос с удовольствием поделиться с нами своими знаниями о наномире. Итак, давайте все-таки послушаем, что расскажет нам наш замечательный гид:

Основными объектами наномира являются атомы и молекулы, размеры которых как раз порядка нанометра. Наверняка многие из вас знают, что из атомов и молекул состоят все вещи в мире. Тогда как вы объясните, чем они отличаются? Для начала, давайте подумаем, из чего состоит, ну, например, тесто? Как правило, тесто состоит из таких компонентов, как мука, вода, яйца, соль (а в сдобное тесто еще добавляют маргарин, сметану, дрожжи, сахар и т.д.). Но когда мы видим уже готовое тесто, легко ли нам определить, какие именно компоненты в нем «намешаны». Но чтобы получить тесто с определенными свойствами – жидкое или твердое, постное или сдобное – мы, как правило, добавляем в него не все подряд, а только нужные компоненты и только в тех количествах, которые указаны в рецепте.

Теперь давайте рассмотрим один из компонентов теста, например, яйцо. Яйцо, всем известно, также состоит из различных частей: в нем можно выделить скорлупу, желток и белок. Если теперь взять отдельный белок, то можно ли разбить его на еще меньшие части? Оказывается, можно. Биологи скажут вам, что яичный белок состоит из различных аминокислот, аминокислоты, в свою очередь, состоят из других более простых химических веществ и т.д.

Как вы думаете, бесконечно ли можно продолжать «делить» вещества на составляющие, или в конце концов мы получим что-то совсем уж неделимое? Люди стали задумываться над этим еще в глубокой древности, и одним из первых, кто дал ответ на поставленный вопрос, был древнегреческий философ Демокрит (он жил еще в V веке до н.э.). Он первым придумал понятие атом, и на его основе создал свою атомистическую концепцию мироздания.

Демокрит утверждал, что все предметы окружающего нас мира (как и наши тела) состоят из материи, будь то растения, дрова, воздух, вода, или манная каша. Существует три основные состояния материи: твердое, жидкое и газообразное. В зависимости от своих свойств, материя делится на органическую («живую») и неорганическую («неживую»). Растения, животные, люди состоят из органической материи. Всё остальное – стекло, металл, вода, воздух – из неорганической. Любая материя, вне зависимости от ее формы или свойств, состоит из атомов, размеры которых и составляют порядка нанометров.

Если бы все атомы были одинаковыми, в мире существовал бы лишь один вид материи. Однако существует более ста разновидностей атомов, которые могут соединяться между собой. Если соединяются несколько атомов одного рода, они образуют простейшие химические элементы. Каждый простейший элемент имеет свое название и обладает уникальными свойствами, например всем хорошо известны химические элементы – это золото, кислород, йод, сера и др.

Материя, построенная из комбинации атомов разных видов, называется веществом, а малейшая частица вещества называется молекулой.

Например, вода – это вещество, так как молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Рис1. Молекула воды

После открытия наномира ученые увидели, что молекулы в природе могут очень сильно отличаться друг от друга, что и обеспечивает такое разнообразие материи в мире. Простые молекулы состоят из двух-трех атомов, однако, существуют и такие, которые имеют в своем составе тысячи атомов, соединенных друг с другом в сложной последовательности (например, молекула каучука, из которого получают резину, состоит примерно из 75 тысяч атомов углерода и 100 000 атомов водорода). Форма молекул может быть так же самой разнообразной: одни из них представляют собой длинные нити, другие – закрученные спирали, а третьи свернуты в клубочек, напоминающий футбольный мяч.

Рис 2. Молекулы а) белка б)ДНК с)фуллерена

Каким же образом атомы соединяются между собой? Чтобы наглядно представить это, мы можем изобразить атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, соединённые между собой кусочками нитки. Атомы имеют круглую форму подобно бусинам, и хотя молекулярные связи – не кусочки нитки, они также могут быть порваны и восстановлены.

Если вы каким-то образом разрушите связи в молекуле и она распадется на составляющие ее элементы, то они уже не будут обладать свойствами первоначального вещества. Например, если вы каким-то образом разделите молекулу сахара, разрушив межатомные связи, то получившиеся при этом простейшие элементы уже не будут обладать ни вкусом, ни цветом сахара.

В молекулах различных веществ, могут быть разные по прочности связи между атомами. Чем крепче «нити», связывающие атомы, тем плотнее материя. У алмаза самые прочные межатомные связи, по сравнению с другими веществами. Именно поэтому алмаз является самым прочным материалом на Земле.

Но, оказывается, молекулярные связи действуют не только в молекулах. Сейчас Наннос расскажет вам об одном из удивительнейших явлений природы, которое, он уверен, не оставит вас равнодушными. Итак, первая достопримечательность наномира, с которой мы познакомимся –это…

«Длина его составляет от 8 до 30 см. Голова довольно широка и сильно сплющена, глаза без век со щелевидным зрачком, шея коротка, тело толстое и сплющенное, хвост умеренной длины, по большей части весьма ломкий. Тело покрыто мелкими бугорчатыми и зернистыми чешуйками. Водятся в теплых странах Старого и Нового света».

Речь идет о гекконе – безобидной красивой ящерке, давно привлекающей внимание ученых своей уникальной способностью лазать как угодно и где угодно. Гекконы не только запросто взбираются по отвесным стенам – они с такой же легкостью ходят по потолку или передвигаются по оконному стеклу террариума.

Долгое время ученые никак не могли понять, каким же образом геккон может бегать по совершенно гладкому вертикальному стеклу, не падая и не соскальзывая (хотя для наноботов здесь нет ничего непонятного). Сначала ученые полагали, что весь секрет в уникальных присосках, которыми снабжены лапки животного. Но выяснилось, что в строении лап геккона нет ничего, похожего на присоски, которые могли бы присасываться к стеклу и обеспечивать ящерице хорошее сцепление. Потом решили, что геккон бегает по стеклу, приклеиваясь к его поверхности с помощью клейкой жидкости, подобно тому, как держится на разных предметах улитка. Но в этом случае на стекле должны были бы оставаться следы от его лап, а никаких следов геккон не оставляет. Кроме того, никаких природных желез, способных выделять такую жидкость, на лапах геккона обнаружено не было.

Разгадка этого явления пришла вместе с открытием наномира и буквально поразила общественность. Оказалось, что при движении геккончик использует законы молекулярных связей!

Ученые внимательно изучили лапку геккона под микроскопом, и при этом выяснилось, что она покрыта мельчайшими волосками, диаметр которых в десять раз меньше, чем диаметр человеческого волоса.

На кончике каждого волоска находятся тысячи мельчайших подушечек размером всего двести миллионных долей сантиметра. Снизу подушечки прикрыты листочками ткани, и при большом увеличении видно, что каждый листочек покрыт сотнями тысяч тонких волосообразных щетинок. Но и это еще не все. Щетинки, в свою очередь, делятся на сотни нанометровых лопатообразных кончиков! То есть, их поверхность сравнима по размеру с атомами и молекулами, и, таким образом, они могут вступать в молекулярное взаимодействие с атомами, находящимися на поверхностях любых даже совершенно гладких, на наш взгляд, поверхностей (подобно молекулярному взаимодействию между атомами в молекулах).

Даже стекло дает гекконам достаточно возможностей зацепиться. Когда геккон опускает лапку на поверхность, лопаточки на концах нанощетинок столь плотно прилегают к ней, что лапка как бы «прилипает» к вертикальной стене или потолку. Но чуть геккон напряжет мышцы и потянет лапку – молекулярные силы перестают действовать, и лапка легко отделяется от поверхности.

Данное открытие побудило исследователей к попыткам создать подобные искусственные наношерстинки для разных целей. Например, сотрудники американской компании iRobot сконструировали робота, который может передвигаться вертикально по стенкам аквариума. А если еще удастся прикрепить к нему хвост, такой же, как у геккона, он сможет запросто бегать по любым острым граням. Если эксперименты по созданию ящерицеподобных роботов будут успешными, эти механизмы можно будет использовать в самых разных областях – от мытья окон в высотных зданиях до путешествий по пыльным тропинкам далеких планет.

Также принцип наношерстинок лег в основу изготовления липкой ленты, подобной скотчу, которую можно использовать повторно и даже в условиях невесомости (обычный скотч в космосе не работает), или создать новый вид «сухого клея», позволяющего с легкостью приклеить и отлепить все, что нужно. Можно изготовить обувь, которая не скользит на льду и даже позволит человеку ходить по стенам. Она облегчила бы жизнь не только альпинистам, монтажникам-скалолазам, но и обычным людям.

Вот такой он «хитрый», этот геккон. С виду вроде обычная ящерица, а вот смог ведь додуматься до такого «элегантного» способа передвижения! Теперь и нам, людям нужно срочно учиться создавать все, что есть в наномире, и тогда у нас начнется совсем другая жизнь!

[О продолжении путешествия по наномиру читайте в следующем номере. Наннос расскажет нам о следующей его достопримечательности – нанотрубках, и о том, как можно построить «космический лифт»]

Автор: Мария Рыбалкина