186. Нанотехнології.

Урок №186. Нанотехнології.

---

Мета уроку: формувати в учнів розуміння того, що наноматеріали й нанотехнології є ключовими для розвитку сучасної науки й техніки, показати їхні практичні застосування в різних сферах (медицина, енергетика, будівництво, робототехніка, біосенсорика), а також розвивати вміння аналізувати переваги, ризики та перспективи цих технологій для майбутнього людства.

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 благополучч
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: нанотехнології, наноматеріали, нанотрубки, наночастинки.

План уроку:

1. Мотивація
2. Нанотехнології
   • 2.1. Нанотехнології в магнітних рідинах.
   • 2.2. Нанотехнології на основі частинок золота
   • 2.3. Папір на основі наноматеріалів
   • 2.4. Нанотехнології в автомобільній промисловості
   • 2.5. Нанотехнології у виробництві одягу
   • 2.6. Нанотехнології в спорті
   • 2.7. Нанотехнології в косметології
   • 2.8. Нанотехнології в харчовій промисловості
   • 2.9. Нанотехнології в будівництві
   • 2.10. Нанотехнології в виробництві сонячних панелей
   • 2.11. Нанотехнології в атомній енергетиці
   • 2.12. Нанороботи
3. Попрактикуймо самостійно
4. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

Очікувані результати для вчителів:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хвилин
У кожній пляшці знаходяться наночастинки, розмішані у воді.
Найменші за розміром частинки — у першій пляшці, найбільші — у восьмій.
Розмір частинок збільшується з 2 нм до 5 нм.
Усі пляшки освітлені ультрафіолетовим промінням.
Але в залежності від розміру частинки світяться різним кольором.

Якщо в усіх пляшках однакова речовина, то що, окрім складу, може впливати на те, який колір ми бачимо під час освітлення їх ультрафіолетом (рис.1)?

---

Посилання на відео джерела:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 30 хв.

2.1. Нанотехнології в магнітних рідинах.

Дружня порада вчителю

• Перша частина → фізика ферофлюїдів: як вони влаштовані, чому потрібні саме наночастинки.
• Друга частина → застосування: техніка й медицина, ризики й перспективи.

Структуруйте інформацію.

Ферофлюїди — магнітні рідини на основі наночастинок (рис.2). 
Вчені давно намагалися створити магнітні рідини, але парамагнітні сольові розчини мали слабку магнітну проникність. Прорив стався, коли розробили феромагнітні наночастинки діаметром близько 10 нанометрів, які можна підвісити у рідині. Ці частинки мають розмір усього кількох атомів, тому кожна є одномагнітним доменом — власним маленьким постійним магнітом. За допомогою спеціальних поверхнево-активних речовин, які не дають частинкам злипатися, ферофлюїди стають стабільною колоїдною системою, якою можна керувати за допомогою зовнішнього магнітного поля.
Ферофлюїди використовуються не тільки в техніці (наприклад, ущільнення обертових валів, охолодження гучномовців), а й у медицині: для локалізованого лікування раку (за рахунок нагрівання в магнітному полі) і як системи доставки ліків, які підводять препарат точно до хворого місця.

1. Чому ферофлюїд має бути саме на основі наночастинок, а не більших часток?
   Що дає цей нанорозмір?
2. У яких випадках у техніці ферофлюїди незамінні? Чому магнітна рідина краще, ніж тверді ущільнювачі чи охолоджувачі?
3. У яких випадках ферофлюїди можуть бути небезпечні для довкілля, якщо вони потраплять у ґрунт або воду? Як можна це запобігти?
4. Як розвиток ферофлюїдних технологій може змінити медицину за 20–30 років? Що може з’явитися такого, чого зараз ще немає?

---

2.2. Нанотехнології на основі частинок золота

У давнину наночастинки золота та срібла використовувалися для фарбування скла в інтенсивні кольори (рис.3). Фактично, зафіксовано, що стародавні римляни використовували колоїдне золото саме для цієї мети. Це один із прикладів того, як нанонаука та технології існують сотні років, але лише нещодавно ми можемо побачити та контролювати цю технологію в масштабі довжини.

На відміну від великого шматка золота (який має характерний жовтий колір), наночастинки можуть змінювати колір залежно від розміру й форми — від червоного до фіолетового й синього. Це унікальна властивість відкрила шлях до сучасних застосувань: золоті наночастинки використовують у біосенсорах, наприклад у тестах на вагітність, ДНК-аналізах та медичних пристроях для виявлення електролітів. Але щоб їх використовувати, треба знати, як поводяться електрони, як змінюється ППР залежно від розміру, і розуміти біохімічні взаємодії.

1. Як можна керувати кольором золотих наночастинок? Що важливіше: їхній розмір чи форма? Чи обидва фактори?
2. Чому саме золото (а не інший метал) стало настільки популярним у використанні наночастинок для біосенсорів і медицини? Які унікальні властивості золота це пояснюють?
3. Якби золоті наночастинки можна було налаштовувати так, щоб вони змінювали колір під впливом зовнішніх факторів (температура, pH, електричне поле), які сенсори або пристрої можна було б створити?

---

2.3. Папір на основі наноматеріалів

Дружня порада вчителю

Чітко розділіть блоки обговорення:

• Пристрої та дизайн → запитайте: які сучасні гаджети виграли б від гнучкого паперового електронного шару?
• Науковий підхід → спитайте: як би ви перевірили, наскільки добре папір проводить струм? (підштовхніть учнів думати як дослідники)
• Ризики й етика → обговоріть: чи варто запроваджувати наноматеріали повсюдно, якщо ми ще не знаємо всіх ризиків?

Наведіть приклади:

• Як відрізняються мідь (провідник) і папір (ізолятор)?
• Що змінює додавання нанотрубок?
• Чим гнучкий паперовий провідник краще або гірше за традиційний дріт?

Існують наукові дослідження, які підтверджують створення електропровідного паперу з використанням вуглецевих нанотрубок. Зокрема, дослідники з Японії розробили композитний папір, що поєднує традиційні волокна японського паперу «ваші» з вуглецевими нанотрубками (CNT).
Цей матеріал зберігає гнучкість і міцність звичайного паперу, але набуває електропровідності.

1. Для яких пристроїв можна використовувати гнучкий електропровідний папір? Назвіть хоча б два приклади.
2. Як гнучкий електропровідний папір змінює дизайн сучасних пристроїв?
3. Чому поєднання традиційних матеріалів (наприклад, паперу) і наноматеріалів (наприклад, нанотрубок) є перспективним напрямом науки і техніки?
4. Як можна протестувати в лабораторії, наскільки добре папір з нанотрубками проводить струм у порівнянні зі звичайною мідною дротиною?
5. Чи є ризики для здоров’я людини або навколишнього середовища, якщо побутові предмети (папір, одяг, упаковка) міститимуть наночастинки або нанотрубки?

---

2.4. Нанотехнології в автомобільній промисловості

Дружня порада вчителю

Поясніть поняття нанокомпозитів простими словами: це суміш пластику (полімерів) з наночастинками (наноглина, нанокремнезем), які роблять матеріал легким, але міцним.
Запитайте: «Чому важливо, щоб машина була легшою? Чи тільки заради швидкості?» (Підштовхніть до теми паливної ефективності й енергозбереження.)
Скажіть: оксид цинку й оксид титану формують мікрошар, який не дає воді й кисню дістатися металу.
Поставте запитання: «Чи можемо ми використати такі покриття для мостів, кораблів або будівель?»

Автомобільна компанія Ford разом із науковцями з Університету штату Огайо (США) вже кілька років досліджує застосування нанокомпозитів (наприклад, полімерів з нанокремнеземом або наноглиною) для зменшення ваги деталей кузова. Така заміна дозволяє зробити матеріал до 25% легшим, ніж стандартні металеві панелі, зберігаючи при цьому механічну міцність.

Згідно з даними Американського енергетичного департаменту (DOE), зменшення ваги автомобіля на 10% може підвищити його паливну ефективність на 6–8%. Крім того, нанопокриття, що містять наночастинки оксиду цинку або титану, створюють надтонкий захисний шар на поверхні металу, який робить кузов стійким до корозії навіть у солоній або вологій атмосфері.

У 2022 році компанія Toyota повідомила, що завдяки нанопокриттю термін служби кузовів їхніх автомобілів на морському узбережжі збільшився на 30% порівняно з машинами без такого захисту (рис.4).

1. Чому нанокомпозити допомагають зменшити вагу автомобіля?
2. Чому нанопокриття на основі оксиду цинку чи титану захищають метал від корозії?
3. Чому для автомобілів, що експлуатуються біля моря, проблема корозії є особливо актуальною?
4. У яких ще галузях (окрім автоіндустрії) наноматеріали допомагають захищати поверхні від корозії?
5. Автомобіль важить 1500 кг, витрата пального — 7 л на 100 км. Ви замінюєте частину деталей на нанокомпозитні й зменшуєте вагу на 15%. Відомо, що кожні 10% зниження ваги підвищують паливну ефективність на 6–8%.
   Завдання:
   • а) Обчисліть нову масу автомобіля. Відповідь: 1275кг 
   • б) Оцініть, на скільки приблизно зменшиться витрата пального (в літрах на 100 км), якщо врахувати підвищення ефективності. Відповідь: 6,265л/100км
   • в) Порахуй, скільки літрів пального буде заощаджено за 10 000 км пробігу.
     Відповідь: 73 л пального заощаджено за 10 000 км 
   • г) Обговори: чи варто впроваджувати такі зміни, якщо вартість нанокомпозитних матеріалів висока? Коли економія компенсує витрати?

---

2.5. Нанотехнології у виробництві одягу

Дружня порада вчителю

Розбийте питання на тематичні блоки

• Фізика й хімія тканини → чому вона відштовхує воду, але пропускає запахи?
• Практичність → хто виграє від такої технології? (спортсмени, пожежники, туристи)
• Соціальний ефект → як зміниться наше споживання речей, якщо вони стануть майже “вічними”?
• Етика й безпека → чи варто хвилюватися про наночастинки на шкірі?

Компанія-виробник одягу випустила нову лінійку штанів з інноваційною тканиною, що містить нановолокна, які формують на поверхні так звані «нановусики». Завдяки цим наноструктурам вода, бруд і плями не проникають у тканину, а просто скочуються з її поверхні, подібно до того, як краплі води скочуються з листя лотоса. Це забезпечує ефект самоочищення без потреби в додатковій обробці або частому пранні.

Попри наявність нанопокриття, тканина залишається легкою, гнучкою й приємною на дотик, без суттєвого збільшення ваги, товщини або жорсткості. Така технологія також значно підвищує вогнестійкість матеріалу — тканина стає стійкішою до впливу високих температур і повільніше загорається.

Нанопокриття впливає не лише на комфорт і захист: воно дозволяє скоротити кількість необхідних хімчисток і ремонтів, пов’язаних з сильними забрудненнями або пошкодженнями тканини.
Таким чином, користувач отримує не тільки практичну, але й економічну вигоду від інноваційного одягу (рис.5).

1. Нановолокна відштовхують воду та бруд, але вони не блокують молекули запахів? Як позбутися запахів на цій тканині? Чи можуть в цього допомогти наночастинки срібла?
2. Чи можна прати таку сорочку, якщо вона відштовхує воду?
3. Які групи людей або професії найбільше виграють від впровадження нанотехнологій у текстильній промисловості?
4. Які зміни в суспільстві можуть відбутися, якщо одяг стане самоочищувальним, водонепроникним і вогнестійким?
5. Чи можуть нанопокриття в одязі бути потенційно небезпечними для людини? Якщо так, то як це перевірити або контролювати?
6. Уяви, що ти в пустелі або джунглях, і твоя сорочка зроблена з нанотканини. Які нові властивості ти хотів би їй додати, щоб вижити в таких екстремальних умовах? Чи реально це зробити?

---

2.6. Нанотехнології в спорті

Дружня порада вчителю

• Обговореня: подумайте, що важливіше у спорті — легкість чи міцність?
• Попросіть порівняти: чи можна цього досягти тільки металами?
• Попросіть подумати нестандартно: що в спорті можна полегшити або зробити довговічнішим — взуття, шоломи, сноуборди?
• Підкиньте провокацію: «Чи варто на змаганнях відокремлювати “звичайне” обладнання від нанопідсиленого?» Де та межа, коли технології стають “допінгом”?

Вуглецеві нанотрубки — це надтонкі циліндричні структури, у сотні разів тонші за людську волосину, але з надзвичайною міцністю й гнучкістю. Сьогодні їх активно використовують у виробництві спортивного обладнання.Наприклад, тенісні ракетки з нанотрубками менше прогинаються під час удару, що дозволяє спортсмену точніше контролювати подачу й отримувати більшу силу при меншій витраті енергії. Крім того, тенісні м’ячі, оброблені спеціальними наночастинками, довше зберігають свої властивості пружності — тобто стрибають приблизно вдвічі довше, ніж стандартні м’ячі, без потреби заміни.Ці технології вже використовуються у професійному спорті, а також поступово входять у масовий ринок (рис.6).

1. Чому саме вуглецеві нанотрубки підходять для спортивного обладнання, а не просто звичайний карбон або метал?
2. Як вплине використання ракетки з нанотрубками на гру спортсмена-початківця та на гру професіонала? Чи всім корисні такі удосконалення?
3. Придумай інше спортивне обладнання або аксесуар, де можна застосувати нанотехнології. Які властивості вони б покращили?
4. Чи можна сказати, що нанопідсилене спортивне обладнання дає несправедливу перевагу спортсменам? Де провести межу між “технологічним прогресом” і “нечесним підсиленням”?
5. Якщо нанотехнології можуть робити речі легшими й міцнішими, чи можна застосувати їх не тільки в спорті, а й у навчанні? Наприклад, для створення шкільних рюкзаків, підручників, меблів? Які ще ідеї?

---

2.7. Нанотехнології в косметології

Дружня порада вчителю

• Запитайте: «Чому ми взагалі використовуємо креми від сонця?
  Чи можна просто сховатися в тінь?» 
• Нагадайте учням: УФ-випромінювання буває трьох типів (UVA, UVB, UVC), але до землі доходять в основному UVA й UVB.
  Саме вони викликають сонячні опіки, старіння шкіри й ризик розвитку раку.

Сучасні сонцезахисні креми часто містять наночастинки оксиду цинку або діоксиду титану (рис.7). Вони ефективно поглинають і відбивають сонячне світло, включаючи небезпечні ультрафіолетові (УФ) промені, які можуть пошкоджувати шкіру та викликати рак.
Завдяки нанорозмірам ці частинки легше й рівномірніше розподіляються по шкірі, залишаючи тонкий, майже непомітний захисний шар — на відміну від товстого білого шару, який залишали старі креми.

Подібні наночастинки застосовуються також у харчовій упаковці: вони допомагають захистити продукти від впливу ультрафіолету, зменшують окислення й подовжують термін зберігання.
Це особливо важливо для продуктів, чутливих до світла — наприклад, соків, молока, масел.

1. Згадай на які типи ділиться УФ випромінювання і який вплив кожного з них на організм людини.
2. Чому наночастинки оксиду цинку та діоксиду титану краще підходять для сонцезахисних засобів, ніж звичайні крупні частинки?
3. Чи може використання наночастинок у кремах впливати на здоров’я людини?
   Які питання слід вивчити, перш ніж масово їх продавати?
4. Чи можуть наночастинки, які захищають продукти, потрапляти всередину харчів? Як це перевірити? Чи є тут ризики для споживачів?
5. Чи можуть подібні наночастинки застосовуватися не тільки в упаковці чи кремах, а й в інших сферах — наприклад, у будівництві чи транспорті?

---

2.8. Нанотехнології в харчовій промисловості

Дружня порада вчителю

• Поясніть учням: Харчова упаковка — це не просто “обгортка”, а складна наукова система.
• Запитайте: «Хто помічав, що газовані напої можуть “видихатися”?
  Чому це відбувається?»
• Обговоренні: Пригадайте, що станеться з газованим напоєм, якщо його залишити відкритим. Як перевіряють безпеку харчових упаковок?
  (Сертифікація, тести, стандарти).
• Питання для учнів: чи достатньо просто “довіряти”, чи потрібен постійний контроль?

Багато сучасних пластикових пляшок для напоїв (наприклад, газованої води, соків, пива) виготовляються з полімерів, що містять наноглини — це наддрібні пластинчасті частинки, рівномірно розподілені в пластиці. Вони значно зменшують проникнення газів (кисню, вуглекислого газу, вологи) через стінки пляшки (рис.8).

Завдяки цьому газовані напої довше зберігають карбонізацію (насиченість бульбашками CO₂), тиск у пляшці стабільніший, а термін придатності збільшується на кілька місяців. Для виробників це означає не тільки довший час продажу, а й зменшення втрат продукту через псування.

1. Чому важливо обмежувати проникнення кисню, вуглекислого газу та вологи у пляшки з напоями? Що станеться з напоєм, якщо цього не зробити?
2. Чим наноглини відрізняються від простої пластикової стінки?
   Чому саме наноструктура допомагає затримувати гази?
3. Чи є ризики, що наноглини або їхні частини потраплять у напій?
   Як це перевіряють виробники?
4. Якщо нанотехнології дозволяють збільшити термін придатності продукту, чи це завжди добре? Чи можуть виникнути побічні ефекти для споживачів або виробничого ланцюга?

---

2.9. Нанотехнології в будівництві

Дружня порада вчителю

• Наголосіть учням: сучасний дім із наноматеріалами — це не лише про комфорт, а й про безпеку, довговічність та енергоефективність.
• Запитайте: «Що для вас головне у домі: міцність, захист, екологічність чи економія?»
• Підкажіть: Якщо вікна стають «розумними» та регулюють тепло й світло, чи зміниться спосіб проєктування будівель (наприклад, більше скла, менше товстих стін).
• Запитайте: Чи завжди нові технології одразу дешевші? А чи можуть вони заощаджувати гроші в довгостроковій перспективі?

Застосування нанотехнологій в будівництві (рис.9). Наноматеріали для будівництва, автономні джерела енергії на потужних сонячних батареях, нанофільтри для очищення води і повітря – ці досягнення нанотехнологій повинні зробити-й вже роблять! – наші будинки стали зручніше, надійніше, безпечніше. Додавання наночасток (в тому числі вуглецевих нанотрубок) в бетон робить його в кілька разів міцніше. Розробляються нанопокриття, що захищають бетонні конструкції від води. Сталь, найважливіший будівельний матеріал, теж стає набагато міцніше при додаванні наночастинок ванадію і молібдену. Самоочищаюче скло з наночастинками двоокису титану вже випускається промисловістю. В майбутньому наноплівкове покриття для скла буде оптимально регулювати потоки світла і тепла, що йдуть через вікна. Для захисту будівель від вогню нанотехнології пропонують як нові негорючі матеріали (наприклад, ізоляцію кабелів, що містить наночастки глини), так і «розумні» мережі надчутливих нанодатчиків загоряння. Шпалери з покриттям з наночасток оксиду цинку допоможуть очистити приміщення від бактерій.

1. Які три властивості сучасного будинку (завдяки нанотехнологіям) можна назвати ключовими? Чому саме ці?
2. Як нанотехнології вікон (самоочищення, регулювання тепла й світла) можуть змінити архітектурні підходи в дизайні будинків?
3. Чи можуть надміцні наноматеріали (наприклад, бетон із нанотрубками) зменшити витрати на будівництво або, навпаки, зробити його дорожчим? Аргументуй.
4. Як нанотехнології можуть вплинути на екологічність будівництва: чи допомагають вони зменшувати споживання ресурсів, чи, можливо, створюють нові проблеми для переробки матеріалів?
5. Який один приклад ти можеш придумати для побутової техніки, де нанотехнології могли б істотно змінити її роботу чи властивості?

---

2.10. Нанотехнології в виробництві сонячних панелей

Дружня порада вчителю

• Обговорення: наноматеріали працюють на мікро- й нанорівні, де можна “ловити” більше світла, зменшувати втрати, краще перетворювати енергію.
• Попросіть учнів подумати: чи сонця вистачає всюди? Чи є ніч, хмари, зима?
• Запитайте: які інші фактори, крім технологій, впливають? (географія, інфраструктура, накопичення енергії).
• Обговоренні: будь-яке виробництво створює відходи — питання в масштабах і контролі.
• Запитайте: хто повинен перевіряти, чи безпечне виробництво? (держава, компанії, міжнародні стандарти).
• Підкажіть: наноматеріали можуть змінювати властивості → запитайте, де можна використовувати гнучкі, невидимі панелі (вікна, одяг, транспорт?).

Щоб людство могло розвиватися стійко — тобто отримувати всю необхідну енергію, не руйнуючи навколишнє середовище — воно повинно переходити на альтернативні джерела енергії. Одне з найважливіших — це сонячне випромінювання, яке вважається невичерпним джерелом. Сучасні сонячні батареї активно вдосконалюють за допомогою наноматеріалів: вони роблять панелі більш ефективними, легкими, дешевими та здатними працювати навіть у складних умовах (наприклад, при слабкому освітленні чи великій вологості) (рис.10).

1. Чому наноматеріали можуть значно підвищити ефективність сонячних батарей у порівнянні зі звичайними матеріалами?
2. Як ти думаєш, чи можна повністю забезпечити енергопотреби людства лише сонячною енергією? Які проблеми можуть виникнути?
3. Чи можуть масове виробництво й утилізація наноматеріалів для сонячних батарей створювати нові екологічні ризики? Як це можна контролювати?
4. Як ти думаєш, чи зможуть майбутні сонячні батареї з наноматеріалами бути повністю прозорими або гнучкими? Де їх можна буде встановлювати, крім дахів?
5. Які ще сфери, крім будівництва й енергетики, можуть виграти від розробки нових наноматеріалів, які працюють із сонячним випромінюванням?

---

2.11. Нанотехнології в атомній енергетиці

Дружня порада вчителю

• Коротко нагадайте різницю: ядерна → поділ, термоядерна → синтез, воднева → зазвичай мається на увазі водневі реакції чи паливні елементи.
• Підведіть до думки: технологічна ефективність ≠ автоматичне зниження цін.
• Запитайте: Хто ще впливає на вартість електроенергії? (економіка, ринок, політика, інфраструктура).Підкажіть: навіть якщо відходів менше, деякі будуть залишатися радіоактивними дуже довго.
• Запитайте: Що складніше — зменшити кількість відходів чи повністю прибрати їхню небезпечність?

Сьогодні нанотехнології активно застосовують для створення нових функціональних матеріалів — як для ядерної, так і для термоядерної, водневої й навіть традиційної енергетики (рис.11).

Одним із ключових напрямів розвитку атомної енергетики є зниження споживання природного урану. Це можна досягти, якщо збільшити глибину вигорання ядерного палива, тобто змусити паливо віддавати більше енергії перед тим, як його доведеться замінити. У цьому допомагають нанодобавки, які активують процес згоряння й відкривають шлях до створення нових видів ядерного палива (наприклад, уран-плутонієвих оксидів і нітридів), особливо для швидких реакторів, що є перспективними для енергетики майбутнього.

1. У чому різниця між ядерною, термоядерною й водневою енергетикою?
2. Якщо нанодобавки підвищують ефективність вигорання ядерного палива, чи це автоматично означає дешевшу електроенергію для споживачів? Чому так або ні?
3. Якби нанотехнології дозволили суттєво зменшити ядерні відходи, як змінилося б ставлення суспільства до атомної енергетики?
4. Якщо нанотехнології зменшують кількість ядерних відходів, чи це означає, що в майбутньому взагалі не буде проблем зі сховищами? Чому ні?

---

2.12. Нанороботи

Дружня порада вчителю

• Наголосіть, що нанороботи — це не фантастика, а реальні (хоча часто ще експериментальні) пристрої.
• Зверніть увагу: Вони працюють на рівні нанорозмірів, тобто там, де людина фізично не може втрутитися.
• Запитайте учнів: Де зараз потрібна ювелірна точність або робота на рівні клітини/молекули?
• Обговоренні: Як нанороботи можуть працювати там, де масштаб величезний (океан, атмосфера), але діяти вони будуть точково.
• Запитайте: Які професії засновані на повторюваних точних діях?

Нанороботи — це машини, здатні працювати на рівні нанометра, маніпулюючи надзвичайно маленькими об’єктами (рис.12). Навіть великі прилади, наприклад атомно-силовий мікроскоп, можна вважати нанороботом, оскільки він здатний взаємодіяти з наноструктурами. Сюди ж належать роботи, які можуть переміщатися або позиціонуватися з нанорозмірною точністю.
З кожним роком кількість таких машин у світі зростає, і, можливо, вже у найближчому майбутньому нанороботи зможуть частково чи повністю замінити багато видів людської діяльності: від медицини до будівництва, від науки до обслуговування.

1. У яких сферах людської діяльності нанороботи можуть принести найбільшу користь? 
2. Чи можуть нанороботи допомогти вирішити глобальні проблеми людства (наприклад, лікування раку, очищення океанів, боротьба зі змінами клімату)? Як саме?
3. Якщо нанороботи зможуть частково замінити людську працю, які професії постраждають найбільше? Чи можна підготуватися до таких змін?
4. Чи повинні існувати міжнародні правила або закони, що регулюють створення та використання нанороботів? Чому це важливо?

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 10 хв.

• Поясніть учням: завдання — фантазійне, але має ґрунтуватися на реальних властивостях нанотехнологій (легкість, міцність, провідність, гнучкість, антибактеріальність тощо).
• Скажіть: «Не бійтеся мріяти, але намагайтеся залишатися в зоні наукових можливостей».
• Порадьте учням думати про найочевидніші сфери: будинок, медицина, транспорт.
• Порадьте: подивіться ширше — не лише на особисте життя, а й на масштаб міста чи планети (нанофільтри для очищення повітря, нанороботи в архітектурі, глобальні сенсорні мережі).
• Наголосіть: кожен приклад повинен мати коротке пояснення (не просто “нанорюкзак”, а “нанорюкзак, що змінює форму й регулює вагу залежно від вмісту”)

Завдання №1 Архітектори світу майбутнього

Твоя місія — уявити, як виглядатиме життя людини через 50 років завдяки нанотехнологіям (рис.13). Спробуй уявити, що все навколо змінилося: будинки, вулиці, транспорт, їжа, одяг, медицина, школи, розваги. Нанотехнології стали частиною кожного елемента життя. Вони непомітні, але працюють щодня, допомагаючи людині бути здоровою, енергоефективною, захищеною й успішною.

Рівень А: запропонуй та коротко опиши 3 приклади використання нанотехнологій в майбутньому.
Рівень В: запропонуй та коротко опиши 4 приклади використання нанотехнологій в майбутньому.
Рівень С: запропонуй та коротко опиши 5 приклади використання нанотехнологій в майбутньому.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 2 хвилин

Заверши фразу:

• Тепер я хочу дізнатися ще про…
• Сьогодні я зрозумів (зрозуміла), що нанотехнології…
• Найцікавіше для мене було…

---

Урок №186. Нанотехнології.

---

Мета уроку: формувати в учнів розуміння того, що наноматеріали й нанотехнології є ключовими для розвитку сучасної науки й техніки, показати їхні практичні застосування в різних сферах (медицина, енергетика, будівництво, робототехніка, біосенсорика), а також розвивати вміння аналізувати переваги, ризики та перспективи цих технологій для майбутнього людства.

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 благополучч
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: нанотехнології, наноматеріали, нанотрубки, наночастинки.

План уроку:

1. Мотивація
2. Нанотехнології
   • 2.1. Нанотехнології в магнітних рідинах.
   • 2.2. Нанотехнології на основі частинок золота
   • 2.3. Папір на основі наноматеріалів
   • 2.4. Нанотехнології в автомобільній промисловості
   • 2.5. Нанотехнології у виробництві одягу
   • 2.6. Нанотехнології в спорті
   • 2.7. Нанотехнології в косметології
   • 2.8. Нанотехнології в харчовій промисловості
   • 2.9. Нанотехнології в будівництві
   • 2.10. Нанотехнології в виробництві сонячних панелей
   • 2.11. Нанотехнології в атомній енергетиці
   • 2.12. Нанороботи
3. Попрактикуймо самостійно
4. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

---

Якщо в усіх пляшках однакова речовина, то що, окрім складу, може впливати на те, який колір ми бачимо під час освітлення їх ультрафіолетом (рис.1)?

---

Посилання на відео джерела:

---

2.1. Нанотехнології в магнітних рідинах.

Ферофлюїди — магнітні рідини на основі наночастинок (рис.2). 
Вчені давно намагалися створити магнітні рідини, але парамагнітні сольові розчини мали слабку магнітну проникність. Прорив стався, коли розробили феромагнітні наночастинки діаметром близько 10 нанометрів, які можна підвісити у рідині. Ці частинки мають розмір усього кількох атомів, тому кожна є одномагнітним доменом — власним маленьким постійним магнітом. За допомогою спеціальних поверхнево-активних речовин, які не дають частинкам злипатися, ферофлюїди стають стабільною колоїдною системою, якою можна керувати за допомогою зовнішнього магнітного поля.
Ферофлюїди використовуються не тільки в техніці (наприклад, ущільнення обертових валів, охолодження гучномовців), а й у медицині: для локалізованого лікування раку (за рахунок нагрівання в магнітному полі) і як системи доставки ліків, які підводять препарат точно до хворого місця.

1. Чому ферофлюїд має бути саме на основі наночастинок, а не більших часток?
   Що дає цей нанорозмір?
2. У яких випадках у техніці ферофлюїди незамінні? Чому магнітна рідина краще, ніж тверді ущільнювачі чи охолоджувачі?
3. У яких випадках ферофлюїди можуть бути небезпечні для довкілля, якщо вони потраплять у ґрунт або воду? Як можна це запобігти?
4. Як розвиток ферофлюїдних технологій може змінити медицину за 20–30 років? Що може з’явитися такого, чого зараз ще немає?

---

2.2. Нанотехнології на основі частинок золота

У давнину наночастинки золота та срібла використовувалися для фарбування скла в інтенсивні кольори (рис.3). Фактично, зафіксовано, що стародавні римляни використовували колоїдне золото саме для цієї мети. Це один із прикладів того, як нанонаука та технології існують сотні років, але лише нещодавно ми можемо побачити та контролювати цю технологію в масштабі довжини.

На відміну від великого шматка золота (який має характерний жовтий колір), наночастинки можуть змінювати колір залежно від розміру й форми — від червоного до фіолетового й синього. Це унікальна властивість відкрила шлях до сучасних застосувань: золоті наночастинки використовують у біосенсорах, наприклад у тестах на вагітність, ДНК-аналізах та медичних пристроях для виявлення електролітів. Але щоб їх використовувати, треба знати, як поводяться електрони, як змінюється ППР залежно від розміру, і розуміти біохімічні взаємодії.

1. Як можна керувати кольором золотих наночастинок? Що важливіше: їхній розмір чи форма? Чи обидва фактори?
2. Чому саме золото (а не інший метал) стало настільки популярним у використанні наночастинок для біосенсорів і медицини? Які унікальні властивості золота це пояснюють?
3. Якби золоті наночастинки можна було налаштовувати так, щоб вони змінювали колір під впливом зовнішніх факторів (температура, pH, електричне поле), які сенсори або пристрої можна було б створити?

---

2.3. Папір на основі наноматеріалів

Існують наукові дослідження, які підтверджують створення електропровідного паперу з використанням вуглецевих нанотрубок. Зокрема, дослідники з Японії розробили композитний папір, що поєднує традиційні волокна японського паперу «ваші» з вуглецевими нанотрубками (CNT).
Цей матеріал зберігає гнучкість і міцність звичайного паперу, але набуває електропровідності.

1. Для яких пристроїв можна використовувати гнучкий електропровідний папір? Назвіть хоча б два приклади.
2. Як гнучкий електропровідний папір змінює дизайн сучасних пристроїв?
3. Чому поєднання традиційних матеріалів (наприклад, паперу) і наноматеріалів (наприклад, нанотрубок) є перспективним напрямом науки і техніки?
4. Як можна протестувати в лабораторії, наскільки добре папір з нанотрубками проводить струм у порівнянні зі звичайною мідною дротиною?
5. Чи є ризики для здоров’я людини або навколишнього середовища, якщо побутові предмети (папір, одяг, упаковка) міститимуть наночастинки або нанотрубки?

---

2.4. Нанотехнології в автомобільній промисловості

Автомобільна компанія Ford разом із науковцями з Університету штату Огайо (США) вже кілька років досліджує застосування нанокомпозитів (наприклад, полімерів з нанокремнеземом або наноглиною) для зменшення ваги деталей кузова. Така заміна дозволяє зробити матеріал до 25% легшим, ніж стандартні металеві панелі, зберігаючи при цьому механічну міцність.

Згідно з даними Американського енергетичного департаменту (DOE), зменшення ваги автомобіля на 10% може підвищити його паливну ефективність на 6–8%. Крім того, нанопокриття, що містять наночастинки оксиду цинку або титану, створюють надтонкий захисний шар на поверхні металу, який робить кузов стійким до корозії навіть у солоній або вологій атмосфері.

У 2022 році компанія Toyota повідомила, що завдяки нанопокриттю термін служби кузовів їхніх автомобілів на морському узбережжі збільшився на 30% порівняно з машинами без такого захисту (рис.4).

1. Чому нанокомпозити допомагають зменшити вагу автомобіля?
2. Чому нанопокриття на основі оксиду цинку чи титану захищають метал від корозії?
3. Чому для автомобілів, що експлуатуються біля моря, проблема корозії є особливо актуальною?
4. У яких ще галузях (окрім автоіндустрії) наноматеріали допомагають захищати поверхні від корозії?
5. Автомобіль важить 1500 кг, витрата пального — 7 л на 100 км. Ви замінюєте частину деталей на нанокомпозитні й зменшуєте вагу на 15%. Відомо, що кожні 10% зниження ваги підвищують паливну ефективність на 6–8%.
   Завдання:
   • а) Обчисліть нову масу автомобіля.
   • б) Оцініть, на скільки приблизно зменшиться витрата пального (в літрах на 100 км), якщо врахувати підвищення ефективності. 
   • в) Порахуй, скільки літрів пального буде заощаджено за 10 000 км пробігу.
   • г) Обговори: чи варто впроваджувати такі зміни, якщо вартість нанокомпозитних матеріалів висока? Коли економія компенсує витрати?

---

2.5. Нанотехнології у виробництві одягу

Компанія-виробник одягу випустила нову лінійку штанів з інноваційною тканиною, що містить нановолокна, які формують на поверхні так звані «нановусики». Завдяки цим наноструктурам вода, бруд і плями не проникають у тканину, а просто скочуються з її поверхні, подібно до того, як краплі води скочуються з листя лотоса. Це забезпечує ефект самоочищення без потреби в додатковій обробці або частому пранні.

Попри наявність нанопокриття, тканина залишається легкою, гнучкою й приємною на дотик, без суттєвого збільшення ваги, товщини або жорсткості. Така технологія також значно підвищує вогнестійкість матеріалу — тканина стає стійкішою до впливу високих температур і повільніше загорається.

Нанопокриття впливає не лише на комфорт і захист: воно дозволяє скоротити кількість необхідних хімчисток і ремонтів, пов’язаних з сильними забрудненнями або пошкодженнями тканини.
Таким чином, користувач отримує не тільки практичну, але й економічну вигоду від інноваційного одягу (рис.5).

1. Нановолокна відштовхують воду та бруд, але вони не блокують молекули запахів? Як позбутися запахів на цій тканині? Чи можуть в цього допомогти наночастинки срібла?
2. Чи можна прати таку сорочку, якщо вона відштовхує воду?
3. Які групи людей або професії найбільше виграють від впровадження нанотехнологій у текстильній промисловості?
4. Які зміни в суспільстві можуть відбутися, якщо одяг стане самоочищувальним, водонепроникним і вогнестійким?
5. Чи можуть нанопокриття в одязі бути потенційно небезпечними для людини? Якщо так, то як це перевірити або контролювати?
6. Уяви, що ти в пустелі або джунглях, і твоя сорочка зроблена з нанотканини. Які нові властивості ти хотів би їй додати, щоб вижити в таких екстремальних умовах? Чи реально це зробити?

---

2.6. Нанотехнології в спорті

Вуглецеві нанотрубки — це надтонкі циліндричні структури, у сотні разів тонші за людську волосину, але з надзвичайною міцністю й гнучкістю. Сьогодні їх активно використовують у виробництві спортивного обладнання.Наприклад, тенісні ракетки з нанотрубками менше прогинаються під час удару, що дозволяє спортсмену точніше контролювати подачу й отримувати більшу силу при меншій витраті енергії. Крім того, тенісні м’ячі, оброблені спеціальними наночастинками, довше зберігають свої властивості пружності — тобто стрибають приблизно вдвічі довше, ніж стандартні м’ячі, без потреби заміни.Ці технології вже використовуються у професійному спорті, а також поступово входять у масовий ринок (рис.6).

1. Чому саме вуглецеві нанотрубки підходять для спортивного обладнання, а не просто звичайний карбон або метал?
2. Як вплине використання ракетки з нанотрубками на гру спортсмена-початківця та на гру професіонала? Чи всім корисні такі удосконалення?
3. Придумай інше спортивне обладнання або аксесуар, де можна застосувати нанотехнології. Які властивості вони б покращили?
4. Чи можна сказати, що нанопідсилене спортивне обладнання дає несправедливу перевагу спортсменам? Де провести межу між “технологічним прогресом” і “нечесним підсиленням”?
5. Якщо нанотехнології можуть робити речі легшими й міцнішими, чи можна застосувати їх не тільки в спорті, а й у навчанні? Наприклад, для створення шкільних рюкзаків, підручників, меблів? Які ще ідеї?

---

2.7. Нанотехнології в косметології

Сучасні сонцезахисні креми часто містять наночастинки оксиду цинку або діоксиду титану (рис.7). Вони ефективно поглинають і відбивають сонячне світло, включаючи небезпечні ультрафіолетові (УФ) промені, які можуть пошкоджувати шкіру та викликати рак.
Завдяки нанорозмірам ці частинки легше й рівномірніше розподіляються по шкірі, залишаючи тонкий, майже непомітний захисний шар — на відміну від товстого білого шару, який залишали старі креми.

Подібні наночастинки застосовуються також у харчовій упаковці: вони допомагають захистити продукти від впливу ультрафіолету, зменшують окислення й подовжують термін зберігання.
Це особливо важливо для продуктів, чутливих до світла — наприклад, соків, молока, масел.

1. Згадай на які типи ділиться УФ випромінювання і який вплив кожного з них на організм людини.
2. Чому наночастинки оксиду цинку та діоксиду титану краще підходять для сонцезахисних засобів, ніж звичайні крупні частинки?
3. Чи може використання наночастинок у кремах впливати на здоров’я людини?
   Які питання слід вивчити, перш ніж масово їх продавати?
4. Чи можуть наночастинки, які захищають продукти, потрапляти всередину харчів? Як це перевірити? Чи є тут ризики для споживачів?
5. Чи можуть подібні наночастинки застосовуватися не тільки в упаковці чи кремах, а й в інших сферах — наприклад, у будівництві чи транспорті?

---

2.8. Нанотехнології в харчовій промисловості

Багато сучасних пластикових пляшок для напоїв (наприклад, газованої води, соків, пива) виготовляються з полімерів, що містять наноглини — це наддрібні пластинчасті частинки, рівномірно розподілені в пластиці. Вони значно зменшують проникнення газів (кисню, вуглекислого газу, вологи) через стінки пляшки (рис.8).

Завдяки цьому газовані напої довше зберігають карбонізацію (насиченість бульбашками CO₂), тиск у пляшці стабільніший, а термін придатності збільшується на кілька місяців. Для виробників це означає не тільки довший час продажу, а й зменшення втрат продукту через псування.

1. Чому важливо обмежувати проникнення кисню, вуглекислого газу та вологи у пляшки з напоями? Що станеться з напоєм, якщо цього не зробити?
2. Чим наноглини відрізняються від простої пластикової стінки?
   Чому саме наноструктура допомагає затримувати гази?
3. Чи є ризики, що наноглини або їхні частини потраплять у напій?
   Як це перевіряють виробники?
4. Якщо нанотехнології дозволяють збільшити термін придатності продукту, чи це завжди добре? Чи можуть виникнути побічні ефекти для споживачів або виробничого ланцюга?

---

2.9. Нанотехнології в будівництві

Застосування нанотехнологій в будівництві (рис.9). Наноматеріали для будівництва, автономні джерела енергії на потужних сонячних батареях, нанофільтри для очищення води і повітря – ці досягнення нанотехнологій повинні зробити-й вже роблять! – наші будинки стали зручніше, надійніше, безпечніше. Додавання наночасток (в тому числі вуглецевих нанотрубок) в бетон робить його в кілька разів міцніше. Розробляються нанопокриття, що захищають бетонні конструкції від води. Сталь, найважливіший будівельний матеріал, теж стає набагато міцніше при додаванні наночастинок ванадію і молібдену. Самоочищаюче скло з наночастинками двоокису титану вже випускається промисловістю. В майбутньому наноплівкове покриття для скла буде оптимально регулювати потоки світла і тепла, що йдуть через вікна. Для захисту будівель від вогню нанотехнології пропонують як нові негорючі матеріали (наприклад, ізоляцію кабелів, що містить наночастки глини), так і «розумні» мережі надчутливих нанодатчиків загоряння. Шпалери з покриттям з наночасток оксиду цинку допоможуть очистити приміщення від бактерій.

1. Які три властивості сучасного будинку (завдяки нанотехнологіям) можна назвати ключовими? Чому саме ці?
2. Як нанотехнології вікон (самоочищення, регулювання тепла й світла) можуть змінити архітектурні підходи в дизайні будинків?
3. Чи можуть надміцні наноматеріали (наприклад, бетон із нанотрубками) зменшити витрати на будівництво або, навпаки, зробити його дорожчим? Аргументуй.
4. Як нанотехнології можуть вплинути на екологічність будівництва: чи допомагають вони зменшувати споживання ресурсів, чи, можливо, створюють нові проблеми для переробки матеріалів?
5. Який один приклад ти можеш придумати для побутової техніки, де нанотехнології могли б істотно змінити її роботу чи властивості?

---

2.10. Нанотехнології в виробництві сонячних панелей

Щоб людство могло розвиватися стійко — тобто отримувати всю необхідну енергію, не руйнуючи навколишнє середовище — воно повинно переходити на альтернативні джерела енергії. Одне з найважливіших — це сонячне випромінювання, яке вважається невичерпним джерелом. Сучасні сонячні батареї активно вдосконалюють за допомогою наноматеріалів: вони роблять панелі більш ефективними, легкими, дешевими та здатними працювати навіть у складних умовах (наприклад, при слабкому освітленні чи великій вологості) (рис.10).

1. Чому наноматеріали можуть значно підвищити ефективність сонячних батарей у порівнянні зі звичайними матеріалами?
2. Як ти думаєш, чи можна повністю забезпечити енергопотреби людства лише сонячною енергією? Які проблеми можуть виникнути?
3. Чи можуть масове виробництво й утилізація наноматеріалів для сонячних батарей створювати нові екологічні ризики? Як це можна контролювати?
4. Як ти думаєш, чи зможуть майбутні сонячні батареї з наноматеріалами бути повністю прозорими або гнучкими? Де їх можна буде встановлювати, крім дахів?
5. Які ще сфери, крім будівництва й енергетики, можуть виграти від розробки нових наноматеріалів, які працюють із сонячним випромінюванням?

---

2.11. Нанотехнології в атомній енергетиці

Сьогодні нанотехнології активно застосовують для створення нових функціональних матеріалів — як для ядерної, так і для термоядерної, водневої й навіть традиційної енергетики (рис.11).

Одним із ключових напрямів розвитку атомної енергетики є зниження споживання природного урану. Це можна досягти, якщо збільшити глибину вигорання ядерного палива, тобто змусити паливо віддавати більше енергії перед тим, як його доведеться замінити. У цьому допомагають нанодобавки, які активують процес згоряння й відкривають шлях до створення нових видів ядерного палива (наприклад, уран-плутонієвих оксидів і нітридів), особливо для швидких реакторів, що є перспективними для енергетики майбутнього.

1. У чому різниця між ядерною, термоядерною й водневою енергетикою?
2. Якщо нанодобавки підвищують ефективність вигорання ядерного палива, чи це автоматично означає дешевшу електроенергію для споживачів? Чому так або ні?
3. Якби нанотехнології дозволили суттєво зменшити ядерні відходи, як змінилося б ставлення суспільства до атомної енергетики?
4. Якщо нанотехнології зменшують кількість ядерних відходів, чи це означає, що в майбутньому взагалі не буде проблем зі сховищами? Чому ні?

---

2.12. Нанороботи

Нанороботи — це машини, здатні працювати на рівні нанометра, маніпулюючи надзвичайно маленькими об’єктами (рис.12). Навіть великі прилади, наприклад атомно-силовий мікроскоп, можна вважати нанороботом, оскільки він здатний взаємодіяти з наноструктурами. Сюди ж належать роботи, які можуть переміщатися або позиціонуватися з нанорозмірною точністю.
З кожним роком кількість таких машин у світі зростає, і, можливо, вже у найближчому майбутньому нанороботи зможуть частково чи повністю замінити багато видів людської діяльності: від медицини до будівництва, від науки до обслуговування.

1. У яких сферах людської діяльності нанороботи можуть принести найбільшу користь? 
2. Чи можуть нанороботи допомогти вирішити глобальні проблеми людства (наприклад, лікування раку, очищення океанів, боротьба зі змінами клімату)? Як саме?
3. Якщо нанороботи зможуть частково замінити людську працю, які професії постраждають найбільше? Чи можна підготуватися до таких змін?
4. Чи повинні існувати міжнародні правила або закони, що регулюють створення та використання нанороботів? Чому це важливо?

---

Завдання №1 Архітектори світу майбутнього

Твоя місія — уявити, як виглядатиме життя людини через 50 років завдяки нанотехнологіям (рис.13). Спробуй уявити, що все навколо змінилося: будинки, вулиці, транспорт, їжа, одяг, медицина, школи, розваги. Нанотехнології стали частиною кожного елемента життя. Вони непомітні, але працюють щодня, допомагаючи людині бути здоровою, енергоефективною, захищеною й успішною.

Рівень А: запропонуй та коротко опиши 3 приклади використання нанотехнологій в майбутньому.
Рівень В: запропонуй та коротко опиши 4 приклади використання нанотехнологій в майбутньому.
Рівень С: запропонуй та коротко опиши 5 приклади використання нанотехнологій в майбутньому.

---

Заверши фразу:

• Тепер я хочу дізнатися ще про…
• Сьогодні я зрозумів (зрозуміла), що нанотехнології…
• Найцікавіше для мене було…

---