183. Наноматеріали.

Урок №183. Наноматеріали.

---

Мета уроку: формувати цілісне уявлення про наноматеріали: їхній розмір, властивості, класифікацію та способи одержання; сформувати розуміння впливу їх структури на властивості й застосування шляхом аналізу прикладів, уявного масштабування та розв’язання практичних задач.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

• ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
• ЦСР 3: Міцне здоров’я і благополуччя
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: наноматеріали, нанометр, наночастинки, нановолокна, наноплівки, Top-down, Bottom-up.

План уроку:

1. Мотивація
2. Наноматеріали
   • 2.1. Історія наноматеріалів
   • 2.2. Класифікація наноматеріалів
     • 2.2.1 Класифікація за формою (розмірами)
     • 2.2.2. Класифікація за походженням
     • 2.2.3. Класифікація наноматеріалів за речовиною
   • 2.3. Способи створення наноматеріалів.
3. Практичний блок
4. Попрактикуймо самостійно
5. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

Очікувані результати для вчителів:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хвилин

28 вересня 1989 року Айглер перемістив атом ксенону між двома дефектами на поверхні платини, а вже в листопаді Айглер і Швейцер, «насипавши» в довільному порядку атоми ксенону на нікелеву підкладку, охолоджену до 4 К, склали з 35 цих атомів напис «IBM».
У квітні наступного року в журналі Nature вийшла стаття під назвою «Позиціонування окремих атомів за допомогою сканувального тунельного мікроскопа».

У листопаді 1989 року Айглер та Е. Швейцер презентували фотографію, на якій можна було побачили логотип “IBM” (рис.1). Це фото просто сколихнуло науковий світ. 

У чому особливіть та незвичність цього фото?

---

Посилання на відео джерела:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 12 хв.
Акцентуйте увагу учнів на тому, що означає префікс нано, по можливості нагадайте і про інші префікси (для утворення назв кратних і частинних одиниць).

2.1. Історія наноматеріалів.

Вчені досі не мають єдиного визначення наноматеріалів, але погоджуються в одному: вони мають дуже малий розмір — від 1 до 100 нанометрів.
Наноматеріали — це речовини, у яких хоча б один з розмірів частинок лежить у межах 1–100 нанометрів. Щоб зрозуміти, наскільки це мало:
1 нанометр (нм) — це одна мільйонна частка міліметра. Наприклад, людська волосина має діаметр близько 80 000–100 000 нм, а ДНК — приблизно 2,5 нм.
Через такий малий розмір наноматеріали мають незвичайні властивості, які суттєво відрізняються від звичайних (об’ємних) матеріалів:

• вони можуть бути міцнішими, але легшими;
• проявляти незвичну електропровідність або прозорість;
• бути активними каталізаторами, навіть якщо хімічно інертні в звичайному стані.

Ці особливості пов’язані з тим, що при зменшенні розміру частинок збільшується частка атомів на поверхні, і квантові ефекти починають відігравати значну роль.
Ідеї нанотехнологій вперше описав американський фізик Річард Фейнман у своїй відомій лекції 1959 року «На дні достатньо місця».
Він передбачив, що настане час, коли вчені навчаться керувати окремими атомами і молекулами, створюючи нові структури з неймовірною точністю. Хоча він не вживав терміна «нанотехнологія», саме його бачення стало основою для цієї науки.
Справжній прорив відбувся у 1981 році, коли Герд Бінніг і Генріх Рорер створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ). Завдяки йому вчені змогли бачити окремі атоми на поверхні матеріалів і навіть переміщувати їх.
Цей винахід став основою для розвитку всіх сучасних нанотехнологій. За це Бінніг і Рорер отримали Нобелівську премію з фізики в 1986 році.
У 1990-х роках були відкриті вуглецеві нанотрубки — міцні й легкі матеріали з унікальними властивостями.
Вже у 2000-х роках наноматеріали почали використовувати у побутових товарах — спортивному спорядженні, електроніці, косметиці тощо.
Для зручності вивчення, аналізу та практичного використання наноматеріали поділяють за різними ознаками: формою (розмірами), походженням, складом, структурою та функціями. Такий поділ допомагає краще зрозуміти властивості різних наноматеріалів, оптимально обирати їх для наукових досліджень, промисловості або медицини.

1. Як ти думаєш, чому наука про наноматеріали активно розвивається саме в XXI столітті, хоча ідеї “дослідження атомів” були ще в середині ХХ століття?

---

2.2. Класифікація наноматеріалів

2.2.1 Класифікація за формою (розмірами)

Дружня порада вчителю

Покажіть схеми або малюноки — це найкраще “вкладається” в голову.

За розмірами наноматеріали можна поділити на такі типи: 0D, 1D, 2D, 3D. 
Більш детально з цими типами можна ознайомитися в табл. 1 та рис.2.

Табл.1

Тип	Назва	Характеристика	Приклади
0D	Наночастинки	Усі розміри ≤ 100 нм. Розмір нанометровий у всіх напрямках.	Фулерен (C₆₀), квантові точки, наночастинки срібла, золота
1D	Нановолокна, нанострижні	Два розміри нанометрові, третій — значно більший (довжина).	Вуглецеві нанотрубки,  нанострижні ZnO або TiO₂
2D	Наноплівки, наношари	Один вимір нанометровий (товщина), два — макроскопічні.	Графен, наношари MoS₂,наноструктуровані плівки
3D	Наноструктуровані матеріали	Нанорозмірні компоненти поєднані в об’ємну структуру.	Аерогелі, нанопористі матеріали, нанокомпозити, дендримери

---

2.2.2. Класифікація за походженням

Дружня порада вчителю

Наголосіть: не все створила людина — наночастинки є і в димі, і в вулканічному попелі.
Поясніть, що біонаноматеріали — це “міст” між природними й штучними: створені з біооб’єктів, але в лабораторії.

За походженням наноматеріали поділяють на природні (утворюються без участі людини) та штучні (створюються людиною).
Можна виділити ще один тип “змішаний”- біонаноматеріали (проте це радше умовна група, яка перетинається з поняттями «природні» та «штучні») (табл.2)

Табл.2

Тип наноматеріалів	Джерело виникнення	Приклади
Природні	Формуються в природному середовищі без участі людини	Вулканічний попілДим (наночастинки вуглецю)Глина (наношари)ВірусиМорська піна, білки
Штучні (синтетичні)	Створюються в лабораторіях або на виробництві	Наночастинки срібла, золотаГрафенВуглецеві нанотрубкиНанопокриттяКвантові точки
Біонаноматеріали	Отримані з біологічних об’єктів, за участі мікроорганізмів або з використанням біотехнологій	ДНК-наноструктуриНаночастинки білківВірусоподібні частинкиБіополімери з нанорозмірною структурою

1. Чому природні та біонаноматеріали не завжди можна чітко розділити?

---

2.2.3. Класифікація наноматеріалів за речовиною

Дружня порада вчителю

За речовиною:
Зв’яжіть з властивостями:

• → металеві — провідність,
• → полімерні — м’якість,
• → вуглецеві — міцність.

Дай приклади з життя:

• → наногелі в ліках,
• → нанопокриття в тканині,
• → графен у сенсорах.

Порада: не змушуйте вчити таблицю — наведіть приклади кожного типу.
Учні краще запам’ятають, якщо кожен тип матиме «обличчя».

Ще один важливий спосіб класифікації наноматеріалів — це поділ за хімічною природою речовини, з якої вони створені (табл. 3).

Табл. 3

Тип наноматеріалу	Матеріал-основа	Приклади
Металеві	Чисті метали або їх сплави у наноформі	Наночастинки золота (AuNP), срібла (AgNP), міді (Cu), платини (Pt).
Оксидні	Оксиди металів	Оксид цинку (ZnO), оксид титану (TiO₂), оксид заліза (Fe₂O₃)
Вуглецеві	Атоми вуглецю в різних структурах	Графен, вуглецеві нанотрубки, фулерен (C₆₀)
Полімерні	Синтетичні або природні полімери	Наногелі, полімерні, нанокапсули, нанофібрили целюлози
Керамічні	Неорганічні неметалеві сполуки	Нанокристали кремнію, нанопориста кераміка
Композитні	Поєднання кількох типів матеріалів	Полімер + наночастинки срібла, метал + графен
Біологічні / органічні	Біомолекули або органічні сполуки	ДНК-наноструктури, білкові наночастинки, полісахариди

---

2.3. Способи створення наноматеріалів.

Дружня порада вчителю

Пояснюйте через зрозумілі образи:
– Top-down — як довбати скелю, щоб отримати камінці.
– Bottom-up — як збирати LEGO з атомів.

Зробіть акценти:
– Top-down — підходить для масового виробництва, але менш точний.
– Bottom-up — точніший і гнучкий, проте потребує спеціальних умов.

Вчені розробили багато методів, щоб отримувати наноматеріали з потрібними розмірами, формою та властивостями. Ці методи поділяють на дві головні групи: top-down та bottom-up (рис.3)

1. Top-down (згори вниз) — подрібнення великих структур
Це методи, коли великі об’єкти подрібнюють до нанорозмірів, використовуючи механічні або фізичні процеси. Тобто з макроструктури отримують наноструктуру (табл. 4).

Табл.4

Метод	Суть процесу	Приклади
Механічне подрібнення	Речовину подрібнюють у кульових млинах, фрезах	Нанопорошки металів, кераміки
Лазерна абляція	Поверхню матеріалу випаровують лазером	Наночастинки металів або напівпровідників
Іонне травлення	Використання пучка іонів для формування наноструктур	Створення наношаблонів, мікрочіпів
Літографія	Формування наноструктур на поверхні за допомогою світла або електронів	Мікроелектроніка, фотоніка

2. Bottom-up (знизу вгору) — збирання з атомів і молекул
Ці методи навпаки — будують наноматеріал з окремих атомів, молекул або іонів.
Це як “конструктор LEGO”, але на рівні атомів (табл.5).

Табл.5

Метод	Суть процесу	Приклади
Хімічне осадження	Утворення наночастинок із розчину або газу	Колоїдні наночастинки срібла, золота
Селф-асамблія (самоорганізація)	Молекули самі “збираються” в наноструктури	ДНК-орігамі, білкові наноструктури
Золь-гель метод	Перетворення рідини на тверду наноструктуру через гідроліз	Наноплівки SiO₂, TiO₂
Газофазний синтез	Високотемпературне утворення наночастинок із парів	Вуглецеві нанотрубки, нанопорошки
Методи біосинтезу	Використання мікроорганізмів або клітин для утворення наночастинок	Срібло, золото, оксиди — отримані бактеріями або грибами

➕ Переваги:

• точний контроль над складом і структурою;
• можливість створювати функціональні наноструктури;
• м’які умови синтезу (особливо у біосинтезі).

➖ Недоліки:

• складність масштабування;
• чутливість до умов (температура, pH тощо);
• часто потрібна тривала обробка.

1. Чому не всі штучно створені наноматеріали є безпечними для організму або довкілля?
2. Які екологічні ризики можуть виникати під час промислового виробництва наноматеріалів?

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 18 хвилин.
Перед виконанням завдання нагадайте учням що таке масштаб та як з ним працювати.

Завдання №1

Уяви, що ми збільшуємо різні нанорозмірні об’єкти (A) до макроскопічних розмірів — наприклад, як яблуко (10 см) або людський зріст (1 м). Такий перехід означає, що всі інші об’єкти (B) в цьому уявному світі збільшуються в тому самому масштабі, тобто в стільки ж разів, як і об’єкт A (табл.6).
Що потрібно зробити:
1. Для кожної пари об’єктів обчисли масштаб збільшення, за формулою:
Масштаб = Збільшений розмір A (у нм) / Реальний розмір A (нм)
2. За цим масштабом обчисли, якого розміру став би об’єкт B:
Розмір B у масштабі = Реальний розмір B (нм) × масштаб
3. Переведи отриманий результат у зрозумілі одиниці (м, км тощо).
4. Порівняй цей результат з об’єктами з реального світу: що це могло б бути — будинок, поле, планета?

Табл.6

№	Об’єкт A (нано)	Розмір A (нм)	Об’єкт B (реальний)	Розмір B (нм)	A → (см)	Якого розміру стане B? /З чим можна порівняти?
1	Наночастинка срібла	10	Людська волосина	100 000	10 см
2	Молекула ДНК (діаметр)	2,5	Еритроцит	7 000	10 см

Відповіді:
1. Масштаб: 10000000
Об’єкт B: Людська волосина збільшення до 10 км
Як довжина 100 футбольних полів
2. Масштаб: 40000000
Об’єкт B: Еритроцит збільшення до 28 км
Як висота стратосфери або довжина залізничного шляху між містами

---

Завдання №2

Сучасна медицина дедалі активніше використовує нанотехнології для створення так званих “розумних” систем доставки ліків. Особливо це важливо при лікуванні онкологічних захворювань, коли препарат має потрапити точно в ракову клітину, вивільнити ліки саме там, а потім розкластися без токсичних залишків (рис.4).

Сьогодні вже застосовуються ліпосомальні наночастинки (розміром 15–100 нм) для цільової доставки протиракових препаратів.
Наприклад, ліпосома з доксорубіцином має розмір близько 15–20 нм і здатна самостійно проникати в клітину, де вивільняє ліки без пошкодження здорових тканин.

1. Який шлях синтезу наноматеріалу — top-down чи bottom-up — краще підходить для створення таких “розумних” систем доставки?
2. Які типи наноматеріалів за складом (переглянь таблицю в пункті 2.2.3) найкраще підходять для:

• ефективного проникнення в клітину;
• контрольованого вивільнення ліків;
• біорозкладу без токсичних залишків?

3. Чому саме біологічні або полімерні наноматеріали активно досліджуються у медичній нанофармакології?

4. Чому ліпосома з доксорубіцином може вільно проникати в клітину?

Уяви, що наночастинка “розумного” препарату (розмір — 15 нм) проникає в ракову клітину (розмір ~10 000 нм).

5. У скільки разів потрібно збільшити клітину, щоб вона стала розміром з будинок (10 м)?
6. Якщо збільшити наночастинку в стільки ж разів, то якого розміру вона стане в цьому уявному масштабі?
7. Як ти вважаєш, чому клітина “впускає” наночастинку, але може не впускати інші об’єкти такого розміру?

---

Завдання №3

Дружня порада вчителю

Поясніть: одна формула ≠ однакові властивості.
Наголосіть: структура і площа поверхні мають вирішальне значення для функціональності наноматеріалів. Уточніть поняття «площа поверхні».
Наведіть аналогію:
“Один шматок крейди vs. розтерта на пил крейда — поверхня вища → взаємодія більша.”
Обговоріть ризики “злипання” частинок.
Це чудова нагода пояснити, чому наноматеріали потрібно стабілізувати (наприклад, у кремах або гелях). Розвивайте міжпредметні зв’язки.
Згадайте, де ще вивчають TiO₂: у хімії (як пігмент), у біології (сонцезахисні креми), у географії (очищення води).

Учені створили два наноматеріали на основі однакової речовини — оксиду титану (TiO₂), який використовується в сонцезахисних кремах, фільтрах для води, фотокаталізаторах (табл.7).

Табл.7

Матеріал	Форма	Площа поверхні	Розмір пор	Застосування
А	Нанопорошок	50 м²/г	майже без пор	Пігмент, сонцезахист
B	Нанопористий гель	200 м²/г	10–30 нм	Фотокаталіз, очищення повітря

1. Обидва матеріали мають однаковий хімічний склад. Чому їх властивості й сфери застосування — різні?
2. У якому з варіантів TiO₂ краще відбиватиме світло? А в якому — краще взаємодіє з речовинами навколишнього середовища? Поясни.
3. Чи буде нанопористий гель таким же ефективним, якщо наночастинки “злипнуться” між собою при зберіганні? Поясни.
4. Який із цих матеріалів краще підходить для очищення забрудненої води методом фотокаталізу? Чому?

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 10 хв.

Уявне масштабування: Вірус і клітина

Вірус імунодефіциту людини (ВІЛ) має розмір приблизно 120 нм.
Уявімо, що ми збільшили його до розміру тенісного м’яча — 6 см.
Еритроцит (червона клітина крові) має реальний розмір близько 7 000 нм.
Розв’яжи задачі різних рівнів складності, щоб краще зрозуміти світ наномасштабів (рис.5).

Виконайте наступні завдання:

1. У скільки разів збільшено вірус, якщо він став розміром 6 см?
Відповідь: Збільшено в 500 000 разів

2. Якого розміру в цьому масштабі стане еритроцит (7 000 нм)? Обчисли результат у нанометрах та переведи в метри.
Відповідь: 3.5 м

3. Якого розміру в цьому масштабі стане молекула ДНК (2,5 нм)? Дай відповідь у міліметрах.
Відповідь: 1.25 мм

4. Що це масштабування допомагає зрозуміти про відношення розмірів вірусів, клітин та молекул?
Відповідь: Воно показує, наскільки сильно відрізняються за розмірами молекули, віруси та клітини.

5. Якого розміру була б бактерія Escherichia coli (~2 000 нм)?
Відповідь: 1 м

6. Який був би діаметр волосини (~100 000 нм)?
Відповідь: 50 м

Додаткові питання:

7.У масштабі, де вірус = 6 см, уяви:
 – Розмір клітини печінки (20 000 нм)?
– Розмір однієї наночастинки золота (25 нм)?
Відповідь: 10 метрів; 12,5 мм

8. Скільки наночастинок золота такого масштабу вмістилося б у масштабованій клітині печінки?
Відповідь: 800

9. Якщо вірус та наночастинка мають схожі розміри — чому вірус може викликати хворобу, а наночастинка — лікувати?
Відповідь: Вірус — це складна біологічна система, яка проникає в клітини й змушує їх виробляти копії себе, що шкодить організму. Наночастинка — це неорганічна або проста речовина, яку можна спеціально налаштувати, щоб вона доставляла ліки, руйнувала шкідливі клітини або допомагала діагностувати хвороби, не завдаючи шкоди.

Рівень А:1,2
Рівень В:1,2,3,4
Рівень С: 1,2,3,4,5,6

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хвилин

«3 речі, які я відкрив/відкрила для себе»
Розкажи коротко:

• Що мене здивувало?
• Що виявилось складним?
• Що тепер хочу дізнатись більше?

---

• https://revolutionized.com/nanomaterials/

Урок №183. Наноматеріали.

---

Мета уроку: формувати цілісне уявлення про наноматеріали: їхній розмір, властивості, класифікацію та способи одержання; сформувати розуміння впливу їх структури на властивості й застосування шляхом аналізу прикладів, уявного масштабування та розв’язання практичних задач.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:

• ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
• ЦСР 3: Міцне здоров’я і благополуччя
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: наноматеріали, нанометр, наночастинки, нановолокна, наноплівки, Top-down, Bottom-up.

План уроку:

1. Мотивація
2. Наноматеріали
   • 2.1. Історія наноматеріалів
   • 2.2. Класифікація наноматеріалів
     • 2.2.1 Класифікація за формою (розмірами)
     • 2.2.2. Класифікація за походженням
     • 2.2.3. Класифікація наноматеріалів за речовиною
   • 2.3. Способи створення наноматеріалів.
3. Практичний блок
4. Попрактикуймо самостійно
5. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

---

У листопаді 1989 року Айглер та Е. Швейцер презентували фотографію, на якій можна було побачили логотип “IBM” (рис.1). Це фото просто сколихнуло науковий світ. 

У чому особливіть та незвичність цього фото?

---

Посилання на відео джерела:

---

2.1. Історія наноматеріалів.

Вчені досі не мають єдиного визначення наноматеріалів, але погоджуються в одному: вони мають дуже малий розмір — від 1 до 100 нанометрів.
Наноматеріали — це речовини, у яких хоча б один з розмірів частинок лежить у межах 1–100 нанометрів. Щоб зрозуміти, наскільки це мало:
1 нанометр (нм) — це одна мільйонна частка міліметра. Наприклад, людська волосина має діаметр близько 80 000–100 000 нм, а ДНК — приблизно 2,5 нм.
Через такий малий розмір наноматеріали мають незвичайні властивості, які суттєво відрізняються від звичайних (об’ємних) матеріалів:

• вони можуть бути міцнішими, але легшими;
• проявляти незвичну електропровідність або прозорість;
• бути активними каталізаторами, навіть якщо хімічно інертні в звичайному стані.

Ці особливості пов’язані з тим, що при зменшенні розміру частинок збільшується частка атомів на поверхні, і квантові ефекти починають відігравати значну роль.
Ідеї нанотехнологій вперше описав американський фізик Річард Фейнман у своїй відомій лекції 1959 року «На дні достатньо місця».
Він передбачив, що настане час, коли вчені навчаться керувати окремими атомами і молекулами, створюючи нові структури з неймовірною точністю. Хоча він не вживав терміна «нанотехнологія», саме його бачення стало основою для цієї науки.
Справжній прорив відбувся у 1981 році, коли Герд Бінніг і Генріх Рорер створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ). Завдяки йому вчені змогли бачити окремі атоми на поверхні матеріалів і навіть переміщувати їх.
Цей винахід став основою для розвитку всіх сучасних нанотехнологій. За це Бінніг і Рорер отримали Нобелівську премію з фізики в 1986 році.
У 1990-х роках були відкриті вуглецеві нанотрубки — міцні й легкі матеріали з унікальними властивостями.
Вже у 2000-х роках наноматеріали почали використовувати у побутових товарах — спортивному спорядженні, електроніці, косметиці тощо.
Для зручності вивчення, аналізу та практичного використання наноматеріали поділяють за різними ознаками: формою (розмірами), походженням, складом, структурою та функціями. Такий поділ допомагає краще зрозуміти властивості різних наноматеріалів, оптимально обирати їх для наукових досліджень, промисловості або медицини.

1. Як ти думаєш, чому наука про наноматеріали активно розвивається саме в XXI столітті, хоча ідеї “дослідження атомів” були ще в середині ХХ століття?

---

2.2. Класифікація наноматеріалів

2.2.1 Класифікація за формою (розмірами)

За розмірами наноматеріали можна поділити на такі типи: 0D, 1D, 2D, 3D. 
Більш детально з цими типами можна ознайомитися в табл. 1 та рис.2.

Табл.1

Тип	Назва	Характеристика	Приклади
0D	Наночастинки	Усі розміри ≤ 100 нм. Розмір нанометровий у всіх напрямках.	Фулерен (C₆₀), квантові точки, наночастинки срібла, золота
1D	Нановолокна, нанострижні	Два розміри нанометрові, третій — значно більший (довжина).	Вуглецеві нанотрубки,  нанострижні ZnO або TiO₂
2D	Наноплівки, наношари	Один вимір нанометровий (товщина), два — макроскопічні.	Графен, наношари MoS₂,наноструктуровані плівки
3D	Наноструктуровані матеріали	Нанорозмірні компоненти поєднані в об’ємну структуру.	Аерогелі, нанопористі матеріали, нанокомпозити, дендримери

---

2.2.2. Класифікація за походженням

За походженням наноматеріали поділяють на природні (утворюються без участі людини) та штучні (створюються людиною).
Можна виділити ще один тип “змішаний”- біонаноматеріали (проте це радше умовна група, яка перетинається з поняттями «природні» та «штучні») (табл.2)

Табл.2

Тип наноматеріалів	Джерело виникнення	Приклади
Природні	Формуються в природному середовищі без участі людини	Вулканічний попілДим (наночастинки вуглецю)Глина (наношари)ВірусиМорська піна, білки
Штучні (синтетичні)	Створюються в лабораторіях або на виробництві	Наночастинки срібла, золотаГрафенВуглецеві нанотрубкиНанопокриттяКвантові точки
Біонаноматеріали	Отримані з біологічних об’єктів, за участі мікроорганізмів або з використанням біотехнологій	ДНК-наноструктуриНаночастинки білківВірусоподібні частинкиБіополімери з нанорозмірною структурою

1. Чому природні та біонаноматеріали не завжди можна чітко розділити?

---

2.2.3. Класифікація наноматеріалів за речовиною

Ще один важливий спосіб класифікації наноматеріалів — це поділ за хімічною природою речовини, з якої вони створені (табл. 3).

Табл. 3

Тип наноматеріалу	Матеріал-основа	Приклади
Металеві	Чисті метали або їх сплави у наноформі	Наночастинки золота (AuNP), срібла (AgNP), міді (Cu), платини (Pt).
Оксидні	Оксиди металів	Оксид цинку (ZnO), оксид титану (TiO₂), оксид заліза (Fe₂O₃)
Вуглецеві	Атоми вуглецю в різних структурах	Графен, вуглецеві нанотрубки, фулерен (C₆₀)
Полімерні	Синтетичні або природні полімери	Наногелі, полімерні, нанокапсули, нанофібрили целюлози
Керамічні	Неорганічні неметалеві сполуки	Нанокристали кремнію, нанопориста кераміка
Композитні	Поєднання кількох типів матеріалів	Полімер + наночастинки срібла, метал + графен
Біологічні / органічні	Біомолекули або органічні сполуки	ДНК-наноструктури, білкові наночастинки, полісахариди

---

2.3. Способи створення наноматеріалів.

Вчені розробили багато методів, щоб отримувати наноматеріали з потрібними розмірами, формою та властивостями. Ці методи поділяють на дві головні групи: top-down та bottom-up (рис.3)

1. Top-down (згори вниз) — подрібнення великих структур
Це методи, коли великі об’єкти подрібнюють до нанорозмірів, використовуючи механічні або фізичні процеси. Тобто з макроструктури отримують наноструктуру (табл. 4).

Табл.4

Метод	Суть процесу	Приклади
Механічне подрібнення	Речовину подрібнюють у кульових млинах, фрезах	Нанопорошки металів, кераміки
Лазерна абляція	Поверхню матеріалу випаровують лазером	Наночастинки металів або напівпровідників
Іонне травлення	Використання пучка іонів для формування наноструктур	Створення наношаблонів, мікрочіпів
Літографія	Формування наноструктур на поверхні за допомогою світла або електронів	Мікроелектроніка, фотоніка

2. Bottom-up (знизу вгору) — збирання з атомів і молекул
Ці методи навпаки — будують наноматеріал з окремих атомів, молекул або іонів.
Це як “конструктор LEGO”, але на рівні атомів (табл.5).

Табл.5

Метод	Суть процесу	Приклади
Хімічне осадження	Утворення наночастинок із розчину або газу	Колоїдні наночастинки срібла, золота
Селф-асамблія (самоорганізація)	Молекули самі “збираються” в наноструктури	ДНК-орігамі, білкові наноструктури
Золь-гель метод	Перетворення рідини на тверду наноструктуру через гідроліз	Наноплівки SiO₂, TiO₂
Газофазний синтез	Високотемпературне утворення наночастинок із парів	Вуглецеві нанотрубки, нанопорошки
Методи біосинтезу	Використання мікроорганізмів або клітин для утворення наночастинок	Срібло, золото, оксиди — отримані бактеріями або грибами

➕ Переваги:

• точний контроль над складом і структурою;
• можливість створювати функціональні наноструктури;
• м’які умови синтезу (особливо у біосинтезі).

➖ Недоліки:

• складність масштабування;
• чутливість до умов (температура, pH тощо);
• часто потрібна тривала обробка.

1. Чому не всі штучно створені наноматеріали є безпечними для організму або довкілля?
2. Які екологічні ризики можуть виникати під час промислового виробництва наноматеріалів?

---

Завдання №1

Уяви, що ми збільшуємо різні нанорозмірні об’єкти (A) до макроскопічних розмірів — наприклад, як яблуко (10 см) або людський зріст (1 м). Такий перехід означає, що всі інші об’єкти (B) в цьому уявному світі збільшуються в тому самому масштабі, тобто в стільки ж разів, як і об’єкт A (табл.6).
Що потрібно зробити:
1. Для кожної пари об’єктів обчисли масштаб збільшення, за формулою:
Масштаб = Збільшений розмір A (у нм) / Реальний розмір A (нм)
2. За цим масштабом обчисли, якого розміру став би об’єкт B:
Розмір B у масштабі = Реальний розмір B (нм) × масштаб
3. Переведи отриманий результат у зрозумілі одиниці (м, км тощо).
4. Порівняй цей результат з об’єктами з реального світу: що це могло б бути — будинок, поле, планета?

Табл.6

№	Об’єкт A (нано)	Розмір A (нм)	Об’єкт B (реальний)	Розмір B (нм)	A → (см)	Якого розміру стане B? /З чим можна порівняти?
1	Наночастинка срібла	10	Людська волосина	100 000	10 см
2	Молекула ДНК (діаметр)	2,5	Еритроцит	7 000	10 см

---

Завдання №2

Сучасна медицина дедалі активніше використовує нанотехнології для створення так званих “розумних” систем доставки ліків. Особливо це важливо при лікуванні онкологічних захворювань, коли препарат має потрапити точно в ракову клітину, вивільнити ліки саме там, а потім розкластися без токсичних залишків (рис.4).

Сьогодні вже застосовуються ліпосомальні наночастинки (розміром 15–100 нм) для цільової доставки протиракових препаратів.
Наприклад, ліпосома з доксорубіцином має розмір близько 15–20 нм і здатна самостійно проникати в клітину, де вивільняє ліки без пошкодження здорових тканин.

1. Який шлях синтезу наноматеріалу — top-down чи bottom-up — краще підходить для створення таких “розумних” систем доставки?
2. Які типи наноматеріалів за складом (переглянь таблицю в пункті 2.2.3) найкраще підходять для:

• ефективного проникнення в клітину;
• контрольованого вивільнення ліків;
• біорозкладу без токсичних залишків?

3. Чому саме біологічні або полімерні наноматеріали активно досліджуються у медичній нанофармакології?

4. Чому ліпосома з доксорубіцином може вільно проникати в клітину?

Уяви, що наночастинка “розумного” препарату (розмір — 15 нм) проникає в ракову клітину (розмір ~10 000 нм).

5. У скільки разів потрібно збільшити клітину, щоб вона стала розміром з будинок (10 м)?
6. Якщо збільшити наночастинку в стільки ж разів, то якого розміру вона стане в цьому уявному масштабі?
7. Як ти вважаєш, чому клітина “впускає” наночастинку, але може не впускати інші об’єкти такого розміру?

---

Завдання №3

Учені створили два наноматеріали на основі однакової речовини — оксиду титану (TiO₂), який використовується в сонцезахисних кремах, фільтрах для води, фотокаталізаторах (табл.7).

Табл.7

Матеріал	Форма	Площа поверхні	Розмір пор	Застосування
А	Нанопорошок	50 м²/г	майже без пор	Пігмент, сонцезахист
B	Нанопористий гель	200 м²/г	10–30 нм	Фотокаталіз, очищення повітря

1. Обидва матеріали мають однаковий хімічний склад. Чому їх властивості й сфери застосування — різні?
2. У якому з варіантів TiO₂ краще відбиватиме світло? А в якому — краще взаємодіє з речовинами навколишнього середовища? Поясни.
3. Чи буде нанопористий гель таким же ефективним, якщо наночастинки “злипнуться” між собою при зберіганні? Поясни.
4. Який із цих матеріалів краще підходить для очищення забрудненої води методом фотокаталізу? Чому?

---

Уявне масштабування: Вірус і клітина

Вірус імунодефіциту людини (ВІЛ) має розмір приблизно 120 нм.
Уявімо, що ми збільшили його до розміру тенісного м’яча — 6 см.
Еритроцит (червона клітина крові) має реальний розмір близько 7 000 нм.
Розв’яжи задачі різних рівнів складності, щоб краще зрозуміти світ наномасштабів (рис.5).

Виконайте наступні завдання:

1. У скільки разів збільшено вірус, якщо він став розміром 6 см?

2. Якого розміру в цьому масштабі стане еритроцит (7 000 нм)? Обчисли результат у нанометрах та переведи в метри.

3. Якого розміру в цьому масштабі стане молекула ДНК (2,5 нм)? Дай відповідь у міліметрах.

4. Що це масштабування допомагає зрозуміти про відношення розмірів вірусів, клітин та молекул?

5. Якого розміру була б бактерія Escherichia coli (~2 000 нм)?

6. Який був би діаметр волосини (~100 000 нм)?

Додаткові питання:

7. У масштабі, де вірус = 6 см, уяви:
 – Розмір клітини печінки (20 000 нм)?
– Розмір однієї наночастинки золота (25 нм)?

8. Скільки наночастинок золота такого масштабу вмістилося б у масштабованій клітині печінки?

9. Якщо вірус та наночастинка мають схожі розміри — чому вірус може викликати хворобу, а наночастинка — лікувати?

Рівень А:1,2
Рівень В:1,2,3,4
Рівень С: 1,2,3,4,5,6

---

«3 речі, які я відкрив/відкрила для себе»
Розкажи коротко:

• Що мене здивувало?
• Що виявилось складним?
• Що тепер хочу дізнатись більше?

---

• https://revolutionized.com/nanomaterials/