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).)
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.
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.)
Биотехнология
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.
Нанотехнология
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.