Modern kimya teknolojilerinin uygulama örnekleri. Kimya endüstrisi ve kimya teknolojileri. Kimyasal teknolojinin teorik temelleri

petrokimya endüstrisi, enerji, ulaşım, askeri teçhizat Ve bircok digerleri.

Tarihsel gelişimde kimyasal teknoloji

20. yüzyılda, özellikle Birinci Dünya Savaşı'ndan sonra kimya teknolojisinin gelişimi göz önüne alındığında, bazı karakteristik, kendine özgü özellikleri ortaya çıkarılabilir. Yerkabuğunun %99,5'inin 14 kimyasal elementten oluştuğu bilinmektedir: oksijen, silikon, karbon, alüminyum, demir, kalsiyum, sodyum, magnezyum, potasyum, hidrojen, titanyum, fosfor, klor ve kükürt. Ancak, bu elementlerin birçoğunun kitlesel dağılımına rağmen, 19. yüzyılda kimya endüstrisinin yörüngesine çekilmediler. Bu aynı şekilde flor, titanyum, klor, magnezyum, alüminyum ve hidrojen için de geçerlidir.

XX yüzyılın kimyasal teknolojisi için. bu en yaygın unsurlara atıfta bulunmak karakteristiktir. Hidrojen, bugün modern kimyanın ekmek ve tereyağıdır. Amonyak sentezi, alkollerin sentezi, sıvı yakıtların sentezi vb., her yıl milyarlarca metreküp hidrojen üretilmesini gerektirir. Hidrojenin kimyasal üretime yaygın olarak dahil edilmesi, 20. yüzyılda kimyanın karakteristik bir özelliğidir.

Silisyum kimyası ve özellikle organosilikon bileşiklerinin kimyası, modern teknolojide büyük önem kazanmaktadır. Titanyum, klor, magnezyum, potasyum ve alüminyumun kimyası da son derece önemlidir. Aynı zamanda, kimya teknolojisi, özellikle atom ve jet teknolojisinin gelişmesiyle bağlantılı olarak, yirminci yüzyıl teknolojisinin en önemli temeli olan yer kabuğunun en nadir ve en dağınık elementlerini kullanma eğilimindedir.

XIX yüzyılın organik sentezinin temeli. kok kömürü ile elde edilen kömür katranıydı. 20. yüzyılda, bu hammadde, turba, düşük dereceli gibi çok çeşitli katı yakıtlardan elde edilen basit ve kolay erişilebilir gazlara yol açtı. kahverengi kömür ve antrasit ve kola ile biten. Büyük ölçekte, petrolün çıkarılması ve işlenmesinden elde edilen gazlar kullanılır. 20. yüzyıl boyunca doğal fosil gazlar giderek daha fazla kullanılmaktadır (Şekil 1).

Şekil1. türetilen ürünler doğal gaz(metan).

Böylece, eğer XIX yüzyılda. kimya endüstrisinin temeli, daha sonra 20. yüzyılın ilk yarısında kömür katranıydı. kömür ve petrol ve bunlardan türetilen gazlar: hidrojen, karbon monoksit, en zengin hidrokarbonlar ve bir dizi başka malzeme, organik sentez endüstrisi için ana hammadde tabanı haline geliyor. Azot, hidrojen, oksijen, klor, flor, karbon monoksit, metan, asetilen, etilen ve diğer bazı gazlar modern kimyanın ana hammadde tabanıdır. Sonuç olarak, en son kimya teknolojisinin karakteristik bir özelliği, daha önce önemsiz ölçekte kullanılan ortak elementlerin kullanılması ve modern kimya teknolojisinin temellerine dönüşmesinin yanı sıra kimyasal hammadde olarak yaygın olarak kullanılmasıdır. katı yakıt, sıvı ve gaz hidrokarbonlar.

Kimyasal teknolojinin karakteristik bir özelliği de, özellikle nükleer teknolojinin gereklilikleriyle ilişkili nadir elementlerin kullanılmasıdır. Kimya, nükleer teknolojinin gelişimine büyük katkıda bulunur ve ona çeşitli malzemeler verir - metaller (uranyum, lityum vb.), Ağır su, hidrojen, plastik vb.

Başlangıçta, amonyak sentezi için temel ekipmanların üretimi konusunda uzmanlaştı. Karbondioksit ve karbon monoksit gazlarını temizlemek için sentez kolonları, ayırıcılar, su ve amonyak yıkayıcıların yanı sıra santrifüjler, vakum filtreleri, kauçuk vulkanizasyon için otoklavlar, plastik presler, derin soğutma ekipmanları vb. geliştirildi ve üretildi. 1920'lerden beri güçlü ayırma tesisleri satın aldık petrol gazları, yüksek verimli damıtma ve adsorpsiyon ekipmanı, yüksek basınçlı kompresörler ve reaktörler, soğutma üniteleri vb. Modern kimyanın ana eğilimi, bir maddenin moleküler yapısını oksijen, klor, flor, karbon monoksite göre önceden projelendirme arzusudur. , metan, asetilen, etilen ve diğer bazı gazlar modern kimyanın ana hammadde tabanıdır.

Sonuç olarak, en son kimyasal teknolojinin karakteristik bir özelliği, daha önce önemsiz bir ölçekte kullanılan ortak elementlerin kullanılması ve modern kimya teknolojisinin temeline dönüştürülmesinin yanı sıra katı yakıtların, sıvı ve gaz halindeki hidrokarbonların yaygın olarak kullanılmasıdır. kimyasal hammadde olarak.

Unutulmamalıdır ki, modern kimyanın özelliklerinden biri de üretilen ürünlerin saflık şartıdır. Başlangıç maddelerinde bulunan safsızlıklar, genellikle elde edilen ürünün özelliklerini olumsuz etkiler. Bu nedenle, ana maddenin en az %99,8-99,9'unu içeren çok saf başlangıç malzemeleri (monomerler) son yıllarda kimya endüstrisinde giderek artan bir şekilde kullanılmaktadır. Modern kimya teknolojisinin karakteristik bir özelliği, yeni etki yöntemleriyle donanmış olmasıdır; birkaç yüz ila 1500-2000 ve üzeri atmosferlerde yüksek basınçların kullanılması, derin vakum (bir atmosferin binde birine kadar), birkaç bin dereceye kadar yüksek sıcaklıklar, derin soğuk kullanımı (mutlak sıfıra yakın düşük sıcaklıklar) özellikle önemlidir. ) yanı sıra elektrik deşarjları , ultrason, radyoaktif radyasyon vb. kullanımın yanı sıra, doğal olarak, genel olarak kimyasal üretimin teknik seviyesindeki artış ve sonuç olarak özellikle organik sentez endüstrisinin hızlı gelişimi, tedarik ile sağlanmaktadır. modern, yüksek performanslı ekipman, uygun aparat ve makineler ile kimya endüstrisinin Başlangıçta, amonyak sentezi için temel ekipmanların üretimi konusunda uzmanlaştı. Karbondioksit ve karbon monoksit gazlarını temizlemek için sentez kolonları, ayırıcılar, su ve amonyak yıkayıcıların yanı sıra santrifüjler, vakum filtreleri, kauçuk vulkanizasyon için otoklavlar, plastik presler, derin soğutma ekipmanları vb. geliştirildi ve üretildi. 1920'lerden beri , güçlü petrol gazı ayırma üniteleri, yüksek verimli damıtma ve adsorpsiyon ekipmanları, yüksek basınçlı kompresörler ve reaktörler, soğutma üniteleri vb. Edinilmiştir.Modern kimyadaki ana eğilim, bir maddenin moleküler yapısını önceden tasarlama arzusudur. önceden belirlenmiş özelliklere göre. Modern kimyada önceden belirlenmiş özelliklere sahip maddelerin sentezi körü körüne değil, moleküler oluşum yasalarının derinlemesine incelenmesi temelinde gerçekleştirilir. Bu nedenle, bir dizi yeni kimya bilimi dalı büyük ölçüde gelişmektedir.

Özünde, 1920'lerden bu yana kimya, rastgele araştırma ve keşiflerden, kıt doğal malzemelerin sistematik olarak değiştirilmesine ve değiştirilmesine, yalnızca kalite açısından daha düşük değil, tam tersine bu doğal malzemelerden daha üstün malzemelerle geçiş yaptı. Örneğin, Şili doğal güherçilesinin yerini sentetik nitrojen bileşikleri almıştır. Sentetik kauçuk, doğal kauçuk kadar iyidir. V son yıllar Bazı araştırmacılar, sentetik değil, doğal kauçuğun kalitesini yükseltmeye çalışıyor, böylece bazılarıyla rekabet edebilir. özel tipler sentetik kauçuklar. Üretimi on yıllardır devam eden yapay lif sentezi alanında büyük ilerleme kaydedilmiştir.

1920'lerden başlayarak, doğal ürünler bir kenara itildi ve onların yerine kalite açısından daha düşük olmayan sentetik ürünler geldi. Bu tamamen doğal bir süreçtir. Gerçek şu ki, bir maddenin kimyasal işleme yöntemleri, kimyasal süreçlerin üretime girmesi, üretim süresinde güçlü bir azalmaya ve işçilik maliyetlerinde önemli bir azalmaya ve aynı zamanda doğal ürünlerden daha kaliteli ürünler elde edilmesine yol açmaktadır. Yani 1 ton suni viskon kesikli elyaf üretimi 70 adam-gün ise 1 ton pamuk elyafı üretimi 238 adam-gün sürmektedir. Viskon ipek üretiminde işçilik maliyetleri, doğal ipek üretimine göre yaklaşık 10 kat daha azdır. Petrol hammaddelerinden 1 ton etil alkol (bir takım sentetik ürünlerin üretimi için gerekli) alındığında, bu alkolün gıda hammaddelerinden üretilmesine kıyasla işçilik maliyetleri 20-22 kat azalmaktadır. veriler, yeni maddelerin sentezi alanında ne kadar çok şey yapıldığını anlatıyor. Halihazırda doğada 100 bin inorganik kimyasal bileşik bilinirken, bilinen doğal ve yapay organik maddelerin sayısı üç milyonu aşmış ve hızla büyümeye devam etmektedir. Sadece petrol bazında elde edilen endüstriyel olarak ustalaşmış bileşiklerin 10 bin adı vardır. Yeni sentetik malzemelerin yaratılmasıyla birlikte, endüstri tarafından üretilen halihazırda mevcut olan maddelerin kalitesini iyileştirmeye yönelik sürekli bir süreç vardır. Son olarak, herhangi bir karmaşıklıktaki doğal bileşiklerin yapay üretiminin temel olasılığı artık kanıtlanmıştır. Canlılığın temeli olan çeşitli türlerdeki kompleks protein maddelerinin organik kimyagerlerin laboratuvarlarında sentezleneceği zaman çok uzak değil.

Modern teknolojinin karakteristik bir özelliği, en geniş elektrik uygulaması temelinde gelişmesidir. Ayrıca, daha önce buhar motoru, kimya endüstrisi için buhar ve ısı şeklinde yalnızca bir dereceye kadar teknolojik “hammadde” sağladıysa, elektrik bir tür teknolojik “hammaddenin” en önemli unsuru haline gelir, örneğin, elektroliz gibi işlemler.

Suyun elektrolizi ile elde edilen hidrojen ve hava azotundan sentezlenen amonyak üretimi için yaklaşık 12 bin kWh elektrik tüketilmesi gerekiyor. Etilen bazlı sentetik kauçuk üretimi için yaklaşık 15 bin kWh tüketilir ve diğer bazı kauçuk türleri için - 17 bin kWh veya daha fazlası. Bir ton asetat ipeği üretimi, 20 bin kWh, ton fosfor - 14 ila 20 bin kWh ve ton yapay aşındırıcı - yaklaşık 6-9 bin kWh tüketir - bu, güçlü traktörün üretimiyle hemen hemen aynıdır.

Kimya endüstrisinin gelişimi, en geniş otomasyon ile karakterizedir. teknolojik süreçler. Entegre otomasyona öncelikle büyük ölçekli üretim ile karakterize edilen kimya endüstrisinde ihtiyaç duyulmaktadır. Kimya endüstrisinin otomasyonu, içindeki sürekli üretim süreçlerinin yanı sıra zararlı ve hatta tehlikeli işlerin baskınlığı ile kolaylaştırılmaktadır. Kimya endüstrisinde, her şeyden önce, sıcaklık, basınç, bileşim, reaksiyon hızları vb. Kontrol işlemleri tamamen otomatiktir, çünkü sürekli kimyasal işlemler için (doğrudan gözlemle erişilemez), teknolojik istikrarın korunması özellikle önemlidir. rejimler. Kimyasal üretimde, genel olarak, tam mekanizasyon ve otomasyon gerçekleştirildi ve bir kişi için yalnızca denetim ve kontrol ve ayrıca önleyici bakım işlevleri kaldı.

Kimyasal üretimin otomasyonunda en önemli yönler, elektronik matematiksel makinelerin kullanımına dayalı yeni otomatik cihazların tanıtılması, karmaşık mekanizasyona geçiş ve tüm kimya tesislerinin otomasyonudur. AMERİKA'DA en büyük gelişme petrol ve kimya endüstrilerinde tam olarak alınan üretim otomasyonu. Bireysel kurulumların kontrolünün otomasyonu ile birlikte, bireysel teknolojik süreçler tamamen devreye alınır. otomatikleştirilmiş işletmelerörneğin, üretim süreçleri için bir elektronik kontrol sistemi ile donatılmış 1949'da faaliyete geçen petrol rafinerisi ve ardından yüksek derecede üretim süreçlerinin otomasyonu ile karakterize edilen Spencer Chemical amonyak tesisi gibi. Kimyanın hızlı gelişimi, İkinci Dünya Savaşı'nın bitiminden sadece 10-15 yıl sonra metal, ahşap, yün, ipek, cam ve çok daha fazlasının yerini alan yüzlerce yeni malzemenin yaratılmasına yol açtı.

sağlamak için gerekli olan sentetik malzemelerin üretiminin geliştirilmesi teknik ilerlemeçeşitli endüstrilerde Ulusal ekonomi. Aynı zamanda, mineral gübrelerin yanı sıra pestisit ve amonyak üretimindeki büyüme, sentetik reçineler, kauçuk, alkol, deterjan üretimi için petrol ve doğal gazlar, kok fırın gazı ve kömür koklaştırma ürünlerinin kullanımındaki artış. , yüksek kaliteli vernikler ve boyalar, plastikler, suni elyaflar, elektrik yalıtım malzemeleri, özel malzemeler makine mühendisliği, radyo mühendisliği vb.

Özellikle, yeni etkili yöntemler teknik ürünlerin üretiminde büyük miktarlarda gıda ürünleri harcamaktan kaçınmak için sentez. Örneğin, masraf büyük miktar sentetik kauçuk üretimi için etil alkol üretimi için tahıllar, sentetik alkoldeki gıda maddelerini değiştirme görevini ortaya koydu. 4 ton tahıl veya 10 ton patates yerine 1 ton etil alkol elde etmek için 2 ton sıvılaştırılmış doğal gaz kullanmak yeterlidir. 1 ton sentetik kauçuk üretimi için, yaklaşık 9 ton tahıl veya 22 ton patates yerine, petrol rafinerilerinden sadece yaklaşık 5 ton sıvılaştırılmış gaz harcamak yeterlidir.

Pek çok ekonomist, önümüzdeki on yılda dünyadaki kimyasal ürünlerin %50'sinden fazlasının petrol hammaddelerinden elde edileceğine inanıyor. Bütün bunlar organik sentezin büyük başarılarından bahsediyor.

1917 Ekim Devrimi'nden sonra, sosyalist üretimin gelişmesi, kimyanın pratik uygulama alanının genişlemesini, uzmanlaşmış kimyasal ve kimyasal-teknolojik eğitimin rolünün artmasını ve hem araştırmacıların hem de araştırmacıların eğitim düzeyinin artmasını gerektirdi. öğretmenler ve kimya mühendisleri. 1920'lerin başında bağımsız kimya bölümleri, üniversitelerin fizik ve matematik bölümlerinin bir parçası olarak düzenlenmiştir. Bu bölümler inorganik, fiziksel, organik, analitik kimya, biyokimya ve tarım kimyasında uzmanlıklar getirdi. 1920'de Moskova Kimya Teknolojisi Enstitüsü, V.I. D.I. Mendeleyev. 1929 yılından bu yana, üniversitelerde kimya bölümleri temelinde, araştırma kurumları ve kimyasal üretim laboratuvarları için uzman yetiştirmek üzere bağımsız kimya fakülteleri açılmış ve yeni kimya-teknoloji enstitüleri oluşturulmuştur.

1950'lerin ortalarından beri. kimya ve kimya teknolojisinde, çeşitli maddeleri incelemek için en iyi yöntemler yaratılıyor, yeni malzemeler üretiliyor - kimyasal elyaflar, plastikler, cam-seramikler, yarı iletkenler, yeni fizyolojik olarak aktif maddeler ve ilaçlar, kimyasal gübreler ve böcek ilacı. Kimya, tüm bilim dallarına ve ülke ekonomisine nüfuz etmiştir. Bu nedenle, kimya eğitimi, politeknik, endüstriyel, metalurji, enerji, elektrik, makine ve alet yapımı, jeoloji, madencilik, petrol, tarım, ormancılık, tıp, veterinerlik, gıda, hafif sanayi alanlarında uzmanların eğitiminin ayrılmaz bir parçası haline geldi. ve diğer yüksek ve ikincil özel Eğitim Kurumları.

Bilimsel ve pedagojik faaliyet uzmanları, esas olarak üniversitelerin kimya fakülteleri ve pedagojik enstitülerin yanı sıra kimyasal-biyolojik, biyolojik-kimyasal, doğa bilimleri vb. fakülteler tarafından eğitilir.

Sovyet üniversitelerinde kimya uzmanlarının eğitimi 5 yıl sürer (akşam ve yazışma bölümlerinde 6 yıla kadar). Burada inorganik, organik, analitik, fiziksel, kolloidal kimya, kristal kimyası, genel kimyasal teknoloji, makromoleküler bileşiklerin kimyası gibi özel dersler incelenir. Özel disiplinlerdeki çalışma süresinin yarısından fazlası, öğrencilerin laboratuvarlardaki çalışmalarıyla doludur. Öğrenciler işletmelerde, araştırma kurumlarında ve laboratuvarlarda endüstriyel uygulama (28 hafta) geçirirler.

Kimya ve kimya teknolojisi uzmanlarının ve yüksek öğretim kurumları için öğretmenlerin eğitimi lisansüstü okulda devam etmektedir.Üniversitelere ek olarak kimya uzmanlarının eğitimi için en büyük merkezler enstitülerdir: Moskova Kimyasal Teknoloji Enstitüsü. D. I. Mendeleev, Leningrad Teknoloji Enstitüsü. Lensoviet, Moskova Güzel Kimya Teknolojisi Enstitüsü. M. V. Lomonosov, Belarus Teknoloji Enstitüsü. S. M. Kirov, Voronezh Teknolojik, Dnepropetrovsk Kimyasal-Teknolojik F. E. Dzerzhinsky, Ivanovo Kimya-Teknoloji Enstitüsü, Kazan Kimya-Teknoloji Enstitüsü. S. M. Kirova, Kazak kimyasal-teknolojik ve diğerleri.

Kimya uzmanları (teknologlar) ayrıca, kimya endüstrisinin merkezlerinde, büyük kimyasal kombinasyonlarda bulunan kimyasal ve kimyasal-teknolojik teknik okullarda, ikincil uzmanlaşmış eğitim kurumlarında da eğitilirler. 1977'de 120'den fazla bu tür eğitim kurumu, 30'dan fazla kimyasal ve kimyasal-teknolojik uzmanlık alanında (petrol, gaz, kömür, cam ve cam eşya kimyasal teknolojisi, kimyasal elyaf teknolojisi vb.) teknisyenler yetiştirdi. Bu eğitim kurumlarından mezun olanlar kimya sanayiinde ustabaşı, ustabaşı, laboratuvar asistanı, aparey vb. olarak kullanılmaktadır. Kimya-teknoloji meslek okulları kimya sanayinin çeşitli dallarında kalifiye eleman ihtiyacını karşılamaktadır.

Kimyasal ve kimyasal-teknolojik eğitimin yapısının ve içeriğinin iyileştirilmesi, birçok Sovyet bilim insanının bilimsel ve pedagojik faaliyetleri ile ilişkilidir - A. E. Arbuzov, B. A. Arbuzov, A. N. Bakh, S. I. Volfkovich, N. D. Zelinsky, IA Kablukova, VA Kargin, IL Knunyants , DP Konovalova, SV Lebedeva, SS Nametkina, BV Nekrasova, AN Nesmeyanov, A.E. Poray-Koshitsa, A.N. Reformatsky, S.N. Reformatsky, N.N. Semenov, Ya.K. Syrkin, V.E. Tishchenko, A.E. özel kimyasal dergiler ve diğerleri yüksek öğretimde kimya ve kimya teknolojisi derslerinin bilimsel düzeyinin geliştirilmesine yardımcı olmak.

Gelişmiş ülkelerde, kimyasal ve kimyasal-teknolojik eğitimin yapı ve içeriğinin ana merkezleri şunlardır: Büyük Britanya - Cambridge, Oxford, Bath, Birmingham üniversiteleri, Manchester Politeknik Enstitüsü; İtalya'da - Bologna, Milano üniversiteleri; ABD'de - Kaliforniya, Columbia, Michigan Teknoloji Üniversiteleri, Toledo Üniversitesi, Kaliforniya, Massachusetts Teknoloji Enstitüleri; Fransa'da - Grenoble 1, Marsilya 1, Clermont-Ferrand, Compiegne Technological, Lyons 1, Montpellier 2, Paris 6 ve 7. üniversiteler, Laurent, Toulouse Politeknik Enstitüleri; Gepmania'da - Dortmund, Hanover, Stuttgart üniversiteleri, Darmstadt ve Karlsruhe'deki Yüksek Teknik Okullar; Japonya'da - Kyoto, Okayama, Osaka, Tokyo üniversiteleri vb.

, M., 1971;

Teknolojinin Temelleri ve Petrokimyasal Sentez, ed. A. I. Dintses ve L. A. Potolovsky, Moskova, 1960.

Bilim ve endüstrinin sürekli gelişimi ile kimya ve kimya teknolojisi, dünyaya sürekli yenilik sunar. Kural olarak, özleri, hammaddelerin metalara ve / veya üretim araçlarına işlenmesi için yöntemlerin geliştirilmesinde yatmaktadır. Bu, bir dizi süreçle gerçekleşir.

Yeni kimyasal teknolojiler şunları sağlar:

içeri gir ekonomik aktivite yeni hammadde ve malzeme türleri;
kesinlikle her türlü hammaddeyi işlemek;
pahalı bileşenleri daha ucuz analoglarla değiştirin;
malzemelerin karmaşık kullanımı: bir tür hammaddeden farklı ürünler elde etmek ve bunun tersi;
rasyonel maliyet, geri dönüşüm.

Genel kimya teknolojisinin birçok açıdan yeniden dağıttığını ve düzenlediğini söyleyebiliriz. üretim süreçleri, endüstri ile ilişkili insanlar için önemli olan birçok olumlu faktör nedeniyle bugün çok alakalı.

Alt sektörlerin sınıflandırılması ve tanımı

Kimyasal teknolojiler, çalıştıkları madde türlerine göre organik ve inorganik olarak sınıflandırılabilir. İşin özellikleri, belirlenen görevlere ve nihai ürünün yönlendirildiği kürenin özelliklerine bağlıdır.

İnorganik maddelerin kimyasal teknolojisi, örneğin asitler, soda, alkaliler, silikatlar, mineral gübreler ve tuzların üretimidir. Tüm bu ürünler, başta metalurji olmak üzere çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tarım ve benzeri.

İlaç ve makine mühendisliğinde kauçuk, alkol, plastik, çeşitli boyalar vb. sıklıkla kullanılır. Üretimleri, organik madde üretimi için teknolojiler kullanan işletmeler tarafından gerçekleştirilir. Bu işletmelerin birçoğu endüstride ciddi pozisyonlara sahiptir ve çalışmaları ile devlet ekonomisini önemli ölçüde etkiler.

Kesinlikle kimyasal teknolojinin tüm süreçleri ve aparatları beş ana gruba ayrılır:

hidromekanik;
termal;
difüzyon;
kimyasal;
mekanik.

Kuruluşun özelliklerine bağlı olarak, kimyasal teknoloji süreçleri sürekli ve periyodiktir.

Kimya teknolojisinin modern sorunları

Dünyadaki çevresel duruma artan ilgiyle bağlantılı olarak, üretim süreçlerini optimize edebilecek ve tüketilen hammadde miktarını azaltabilecek yeniliklere olan talep arttı. Bu aynı zamanda enerji maliyetleri için de geçerlidir. Bu tür bir kaynak, üretim çerçevesinde çok değerlidir, bu nedenle tüketimi izlenmeli ve mümkünse en aza indirilmelidir. Bu amaçla, bugün kimya teknolojisinde enerji ve kaynak tasarrufu sağlayan süreçler aktif olarak geliştirilmekte ve uygulanmaktadır. Onların yardımıyla üretim rasyonalize edilerek aşırı maliyetlerin önüne geçilir. Tedarik farklı kategoriler. Böylece kimyasal üretim teknolojilerinin ve antropojenik faktörlerin doğa üzerindeki zararlı etkileri azaltılmaktadır.

Bugün endüstrideki kimyasal teknoloji, nihai ürünün üretim sürecinin ayrılmaz bir parçası haline geldi. Bir bütün olarak gezegenin durumu üzerinde en zararlı etkiye sahip olan bu insan faaliyeti alanı olduğu gerçeğine itiraz etmek zordur. Bu yüzden bilim adamları önlemek için mümkün olan her şeyi yapıyorlar. Ekolojik felaket ancak bu tür gelişmelerin yaygınlaşma ve uygulanma hızı hala yetersizdir.

Modern kimya teknolojilerinin kullanılması, üretimde kullanılan malzeme miktarını en aza indirerek, toksik maddeleri daha güvenli olanlarla değiştirerek ve üretime yeni bileşikler katarak vb. doğa durumunun iyileştirilmesine katkıda bulunur. Görev, çevreye verilen hasarı onarmaktır: gezegenin kaynaklarının tükenmesi, atmosferik kirlilik. Geçtiğimiz yıllarda, ekoloji ve üretimin çevre üzerindeki etkisinin rasyonelleştirilmesi alanında çeşitli çalışmalar özellikle aktif olarak gerçekleştirilmiştir. Birleştirmek zorunludur etkili operasyon güvenlik ve toksik olmayan son ürünlere sahip işletmeler.

Kimyasal teknolojinin teorik temelleri

İlgili endüstriler geliştikçe, bunlara tabidirler. sürekli modernizasyon ve kimya teknolojisinin ana süreçlerinin ve aparatlarının güncellenmesi, üretimin ana yönleri, çalışma prensipleri ve operasyonları gerçekleştirmek için kullanılan makinelerin çalışması daha derinlemesine incelenir. Bu tür disiplinlerin temeli, kimyasal teknolojinin teorik temelleridir.

Dünya lideri olarak tanınan ülkelerde, öğrencilerin teknik uzmanlık alanlarında bu yönde yetiştirilmesi en önemli olarak kabul edilir. Bunun nedeni, öncelikle kimya endüstrisinin faaliyetlerinde proses mühendisliğinin belirleyici rolüdür. İkinci olarak, bu disiplinin sektörler arası düzeyde artan önemi.

Farklı endüstriler arasındaki önemli farklılıklara rağmen, aynı ilkelere dayanırlar, çeşitli fiziksel yasalara, malzeme bilimi de dahil olmak üzere modern mühendislik endüstrileriyle yakından bağlantılı kimyasal süreçlere uyarlar. Son yıllarda, kimyasal teknolojiler, onların varlığına izin vermenin kimsenin aklına gelmeyecek alanlara bile derinlemesine nüfuz etti. Bu nedenle, modern pazarlarda, süreç mühendisliğinin rolü, tek bir endüstrinin operasyonlarından ziyade küresel anlamda giderek daha fazla tartışılmaktadır.

Ev içi eğitimde kimyasal teknolojinin temelleri

Nitelikli uzmanlar yetiştiren yüksek kaliteli eğitim kurumlarının yokluğunda belirli bir endüstrinin başarılı gelişimi imkansızdır. Kimya sektörü ülke ekonomisinin önemli bir bileşeni olduğundan, bu alanda değerli personelin yetiştirilmesi için gerekli tüm koşulların oluşturulması gerekmektedir. Bugün, kimya mühendisliğinin temelleri, dünya çapında birçok yüksek öğretim kurumunda ilgili uzmanlık alanlarındaki zorunlu programın bir parçasıdır.

Ne yazık ki, öğretim ilkeleri teknik talimatlar Rusya'da ve bazı BDT ülkelerinde Avrupa ülkeleri ve Amerika'da benimsenen yöntemlerden temel olarak farklıdır. Bu genellikle kalite üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir. Yüksek öğretim. Örneğin, ana vurgu hala dar kimya mühendisliği uzmanlıklarına verilmektedir ve mekaniğin tasarım ve operasyonel dallarına da çok dikkat edilmektedir. Yükseköğretimin bu tür dar profilli özellikleri, ürün kalitesi, kaynak yoğunluğu, çevre dostu vb. kriterler açısından yerli sanayilerin yabancılardan geri kalmasının ana nedeni haline gelmiştir.

Ana hata, süreç mühendisliğinin omurga ve kapsamlı bir şekilde uygulanabilir bir disiplin olarak küçümsenmesiydi ve şu anda yerli sanayinin ana görevi, gelişimine ve gelişimine çok daha fazla dikkat etmektir. Bugüne kadar, kalifiye personelin yetiştirilmesi ile üretimin kurulması ve optimize edilmesi konuları, BDT ve özellikle Rusya Federasyonu'ndaki en acil sorunlardır.

Uzun zamandır bir kişi için gerekli olan günlük ürünler (gıda, giysi, boya) esas olarak bitkisel kaynaklı doğal hammaddelerin işlenmesiyle üretildi. Modern kimyasal teknolojiler, yalnızca doğal değil, aynı zamanda yapay kökenli hammaddelerden, özelliklerinde doğal analoglardan daha düşük olmayan çok sayıda ve çeşitli ürünü sentezlemeyi mümkün kılar. Doğal maddelerin kimyasal dönüşümlerinin potansiyel olasılıkları gerçekten sınırsızdır. Artan doğal hammadde akışları: petrol, gaz, kömür, mineral tuzlar, silikatlar, cevherler vb. - gerekli ve değerli diğer maddelerin üretimi için boya, vernik, sabun, mineral gübreler, motor yakıtları, plastikler, suni elyaflar, bitki koruma ürünleri, biyolojik olarak aktif maddeler, ilaçlar ve çeşitli hammaddelere dönüştürülür.

Kimyasal teknolojilerin bilimsel ve teknik gelişme hızı hızla artıyor. XIX yüzyılın ortalarında ise. Alüminyum elde etmenin elektrokimyasal sürecinin endüstriyel gelişimi 35 yıl sürdü, daha sonra XX yüzyılın 50'lerinde. düşük basınçta büyük ölçekli polietilen üretimi 4 yıldan daha kısa bir sürede kuruldu. Üzerinde büyük işletmeler gelişmiş ülkeler yaklaşık %25 işletme sermayesi yaklaşık 10 yıl içinde ürün yelpazesini önemli ölçüde güncellemeyi mümkün kılan araştırma ve geliştirme, yeni teknolojilerin ve malzemelerin geliştirilmesi için harcanmaktadır. Bir çok ülkede endüstriyel Girişimcilik 20 yıl önce hiç üretilmeyen ürünlerin yaklaşık %50'sini üretmektedir. Bazı gelişmiş işletmelerde payı %75-80'e ulaşmaktadır.

Yeni kimyasalların geliştirilmesi zahmetli ve maliyetli bir süreçtir. Örneğin endüstriyel üretime uygun sadece birkaç ilacı bulmak ve sentezlemek için en az 4000 çeşit madde üretmek gerekir. Bitki koruma ürünleri için bu rakam 10.000'e ulaşabilir.Yakın geçmişte Amerika Birleşik Devletleri'nde seri üretime giren her kimyasal ürün için yaklaşık 450 araştırma geliştirmesi vardı ve bunlardan sadece 98'i pilot üretim için seçildi. Pilot testlerden sonra, seçilen ürünlerin sadece %50'sinden fazlası geniş pratik uygulama bulmuştur. Ancak, bu kadar karmaşık bir şekilde elde edilen ürünlerin pratik önemi o kadar büyüktür ki, araştırma ve geliştirme maliyetleri çok hızlı bir şekilde karşılanmaktadır.

Kimyagerler, fizikçiler, matematikçiler, biyologlar, mühendisler ve diğer uzmanların başarılı etkileşimi sayesinde, aşağıdaki rakamlarla kanıtlandığı gibi, son on yılda kimyasal ürünlerin üretiminde etkileyici bir büyüme sağlayan yeni gelişmeler ortaya çıkıyor. 10 yıl boyunca (1950-1960) dünyadaki toplam ürün üretimi yaklaşık 3 kat arttıysa, aynı dönemde kimyasal üretim hacmi 20 kat arttı. On yıllık bir süre içinde (1961-1970), dünyadaki endüstriyel üretimdeki ortalama yıllık artış %6,7 ve kimyasal - %9,7 idi. 1970'lerde kimyasal üretimindeki yaklaşık %7'lik artış, yaklaşık olarak iki katına çıkmasını sağlamıştır. Bu büyüme oranlarında, bu yüzyılın sonunda kimya endüstrisinin üretim açısından ilk sırayı alacağı varsayılmaktadır.

Kimyasal teknolojiler ve ilgili endüstriyel üretim, ekonominin çeşitli sektörleri de dahil olmak üzere ulusal ekonominin en önemli alanlarını kapsar. Kimyasal teknolojilerin ve çeşitli insan faaliyet alanlarının etkileşimi geleneksel olarak Şekil 2'de gösterilmektedir. 6.1, tanımlamaların tanıtıldığı yer: A– kimya ve tekstil endüstrisi, kağıt hamuru ve kağıt ve hafif sanayi, cam ve seramik üretimi, çeşitli malzemelerin üretimi, inşaat, madencilik, metalurji; B– makine ve alet mühendisliği, elektronik ve elektrik mühendisliği, iletişim, askeri işler, tarım ve ormancılık, gıda endüstrisi, çevre koruma, sağlık, ev, medya; V– artan emek verimliliği, malzeme tasarrufu, sağlık hizmetlerinde ilerlemeler; G- çalışma ve yaşam koşullarının iyileştirilmesi, zihinsel çalışmanın rasyonelleştirilmesi; D– sağlık, beslenme, giyim, eğlence; E- barınma, kültür, yetiştirme, eğitim, çevre koruma, savunma.

Kimyasal teknolojilerin uygulanmasına ilişkin bazı örnekler verelim. Modern bilgisayarların üretimi için, üretim teknolojisi silikon kullanımına dayanan entegre devrelere ihtiyaç vardır. Ancak doğada kimyasal olarak silikon yoktur. saf formu. Ancak büyük miktarlarda kum şeklinde silikon dioksit vardır. Kimyasal teknoloji, sıradan kumun temel silikona dönüştürülmesini sağlar. Başka bir tipik örnek. Otomobil taşımacılığı büyük miktarda yakıt yakar. Egzoz gazları ile minimum atmosferik kirlilik elde etmek için ne yapılması gerekiyor? Kısmen, bu sorun bir otomobil egzoz gazı katalitik konvertörü yardımıyla çözülür. Radikal çözümü, kimyasal teknolojilerin kullanılmasıyla sağlanır, yani ham petrolün kimyasal manipülasyonları, araba motorlarında verimli bir şekilde yakılan rafine ürünlere işlenir.

Dünya nüfusunun önemli bir kısmı doğrudan veya dolaylı olarak kimyasal teknolojilerle ilişkilidir. Böylece, 1980'lerin sonunda sadece bir ülkede - Amerika Birleşik Devletleri - 150.000'den fazla bilim insanı ve proses mühendisi dahil olmak üzere kimya endüstrisinde ve ilgili endüstrilerde 1 milyondan fazla insan istihdam edildi. O yıllarda Amerika Birleşik Devletleri'nde kimyasal ürünler yılda yaklaşık 175-180 milyar dolara satıldı.

Kimya teknolojisi ve ilgili endüstriler, toplumun çevreyi koruma arzusuna cevap vermek zorunda kalıyor. Siyasi atmosfere bağlı olarak, böyle bir istek makul bir ihtiyattan paniğe kadar değişebilir. Her halükarda, ekonomik sonuç, çevreyi koruma, işçilerin güvenliğini sağlama, yeni ürünlerin güvenliğini ve etkinliğini kanıtlama vb. gibi istenen hedefe ulaşmanın maliyetleri nedeniyle ürün fiyatlarında bir artıştır. Elbette tüm bu maliyetler tüketici tarafından ödenir ve üretilen ürünlerin rekabet gücüne önemli ölçüde yansır.

Üretilen ve tüketilen ürünlerle ilgili bazı rakamlar ilgi çekicidir. XX yüzyılın 70'lerinin başında. Ortalama bir şehir sakini, günlük yaşamında yaklaşık 60'ı tekstil, 200'ü günlük yaşamda, işte ve boş zamanlarında olmak üzere 300-500 çeşitli kimyasal ürün, 50'ye yakın ilaç ve aynı sayıda gıda ürünü ve Pişirme Gereçleri. Bazı gıda ürünlerinin üretim teknolojisi, 200'e kadar farklı kimyasal işlemi içerir.

Yaklaşık on yıl önce kimya endüstrisi tarafından üretilen 1 milyondan fazla ürün çeşidi vardı. O zamana kadar, yaklaşık 60 bin inorganik bileşik dahil olmak üzere bilinen toplam kimyasal bileşik sayısı 8 milyondan fazlaydı. Bugün 18 milyondan fazla kimyasal bileşik bilinmektedir. Gezegenimizin tüm laboratuvarlarında her gün 200-250 yeni kimyasal bileşik sentezleniyor. Yeni maddelerin sentezi, kimyasal teknolojilerin mükemmelliğine ve büyük ölçüde kimyasal dönüşümleri kontrol etme verimliliğine bağlıdır.

Ders-seminer 11. Sınıf

Kimya ile ilgili olmayan derslerde 2 saat, genel eğitim derslerinde 3 saat ve fen derslerinde 4-5 saat olarak tasarlanan bu seminer, okul dersinin sonunda özet olarak düzenlenmekte olup, öğrencilere toplumun üretici gücü olarak kimyanın rolünü gösterin.

P l a n s e m i n a r

1. Kimyasal teknoloji (tanımı, kökeni ve gelişimi, modern üretimdeki rolü, kimyasal üretim süreçlerinin sınıflandırılması, görevler).

2. Biyoteknoloji (tanımı, oluşum aşamaları, biyoteknolojinin yönleri, uygulama alanları).

3. Nanoteknoloji (tanımı, nanoteknolojiye yaklaşımlar ve özellikleri, nanomalzemeler, uygulama alanları).

Öğretmen (giriş konuşması). Modern dünya, bilimsel ve teknolojik ilerlemenin hızlı gelişimi ile karakterizedir. Geleneksel kimya teknolojisini geliştirmenin yanı sıra, yakın zamana kadar egzotik olarak algılanan bu tür bilim ve endüstri alanları hızla gelişiyor: biyoteknoloji ve nanoteknoloji. Her insanın bireysel ve bir bütün olarak toplumun çeşitli yaşam alanlarında giderek daha önemli hale geliyorlar: günlük yaşamda (GDO'ları - genetiği değiştirilmiş organizmaları duymamış bir kişinin olması muhtemel değildir), ekonomide, endüstride ve tarım (2015 yılına kadar nanoteknoloji temelinde üretilen mal ve hizmetlerin bir trilyon dolardan fazlaya mal olacağı tahmin ediliyor), uluslararası ilişkilerde (nanoteknoloji alanında dünya liderliği yarışı başladı, Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Çin bugün bunu başarıyor). Rusya bu yarışa yeni katıldı - hükümetin önemli fonlar tahsis ettiği, nanoteknolojilerin geliştirilmesi için öncelikli bir ulusal program kabul edildi. Bu bilim ve üretim alanının, yüksek sınıf uzmanların eğitimini gerektireceği açıktır. Açıkçası, eğitimleri önde gelen Rus üniversitelerinin özel olarak oluşturulmuş bölümlerinde ve fakültelerinde gerçekleştirilecektir. Biyo- ve nanoteknolojilerle ilk tanışmanın size kimya vermesi gerektiği de aşikardır.

Ama kimyasal teknoloji ile başlayalım.

Kimyasal Teknoloji

1. öğrenci. teknolojiüretim bilimidir. Kimyasal Teknoloji- doğal hammaddelerin tüketici ürünlerine ve diğer malzeme üretim dalları için ara ürünlere işlenmesinin en ekonomik yöntem ve araçlarının bilimi olarak anlaşılan teknolojinin en önemli bölümlerinden biri.

Kimya teknolojisinin ortaya çıkış ve gelişiminin tarihini kısaca ele alalım. İlk başta uygulamalı kimyanın açıklayıcı bir bölümüydü. Ardından, on dokuzuncu yüzyılın ilk yarısında kimya teknolojisi ayrı endüstri bilgi. 1803'te Rusya Bilimler Akademisi'nde kimyasal teknoloji bölümü kuruldu. Son olarak, kimyasal teknoloji, kimyasal üretimin ana süreçleri ve aygıtları doktrini ve kimyasal-teknolojik süreçlerin genel yasalarının geliştirildiği 20. yüzyılın başında bağımsız bir bilimsel disiplin haline geldi.

Kimyasal teknolojinin geliştirilmesinde yeni bir aşama, 60'ların sonlarında kullanımdı. 20. yüzyıl fikirler, yöntemler ve teknik araçlar Kimyasal üretimde sibernetik, kimyasal süreçleri optimize etmek ve otomatikleştirmek için matematiksel modelleme ve bilgisayar teknolojilerinin geliştirilmesiyle sonuçlandı.

Araştırma ve üretim üssü olarak kimya teknolojisinin rolü üzerine bir rapor hazırlayan ikinci öğrenci en önemli endüstriler endüstri, şema 1'i kullanarak ortaya koymaktadır.

şema 1

Diğer iki öğrenci kimyasal üretim süreçlerinin sınıflandırılması hakkında konuşuyor. Mesajlarına, kimya çalışmasında kullanılan bu süreçlerin modellerinin bir gösterimi eşlik ediyor.

3. öğrenci. Tüm kimyasal üretim prosesleri 5 gruba indirgenmiştir.

1. Mekanik– öğütme, eleme*, granüle etme, tabletleme, katı malzemelerin taşınması, paketleme.(Bu kimyasal işlem grubunun (granüller, tabletler, ambalaj numuneleri vb.) ürün örneklerinin ve video kliplerinin gösterimi.)

2. Hidrodinamik– sıvıların ve gazların boru hatları ve aparatlar yoluyla hareketi, pnömatik taşıma, yüzdürme, santrifüjleme, çökeltme, dekantasyon, karıştırma.(Belirli kimyasal üretim, santrifüj işleminin video kliplerinin gösterilmesi (öğretmen öğrencilerin dikkatini bu işlemin yaygın olarak kullanıldığı gerçeğine odaklar). Ev aletleri- çamaşır makineleri, ayırıcılar, vb.), kükürt tozunun yüzdürülmesi, pıhtılaştırıcılar yardımıyla suda bulunan yabancı maddelerin çökeltilmesi, çözeltinin çökelmiş kireç sütünden boşaltılması, kauçuk uçlu cam çubuklar kullanılarak çözeltilerin karıştırılması ( öğretmen, öğrencilere günlük uygulamalardan aşina oldukları karıştırma örnekleri ister).)

4. öğrenci (kimyasal üretim süreçlerinin sınıflandırılmasına devam ediyor).

3. Termal– buharlaşma, yoğuşma, ısıtma, soğutma, buharlaşma. (Belirli kimyasal üretim ve laboratuvar kurulumlarının video kliplerinin gösterilmesinin yanı sıra: bir damıtıcıda veya ev yapımı bir kurulumda suyun damıtılması, bir tuz çözeltisinin buharlaştırılması.)

4. Difüzyon– absorpsiyon, adsorpsiyon, damıtma, rektifikasyon, kurutma, kristalizasyon, süblimasyon, ekstraksiyon, filtrasyon, iyon değişimi.(Belirli kimyasal tesislerin ve laboratuvar kurulumlarının, ekipman ve aletlerinin video kliplerinin gösterilmesi (filtreleme için kurulum, bir kül fırını, bir kristalleştirici, su için ev tipi iyon değişim filtreleri dahil olmak üzere iyon değiştiriciler) ve ayrıca: emilim örneğini kullanarak suda hidrojen klorür veya amonyağın çözülmesi (“şişedeki çeşme”), adsorpsiyon aktif karbonçözeltiden boya, klorofilin etil alkol ile ekstraksiyonu.)

5. Kimyasal, hammaddenin kimyasal dönüşümüne dayanır.

Kimyasal üretimin bu teknolojik süreçleri grubu da iki öğrenci tarafından ortaya çıkarılmıştır.

5. öğrenci. Kimyasal işlemler çeşitli kriterlere göre sınıflandırılabilir.

Hammaddeye göre: mineral, hayvan ve ayrıca kömür, petrol, gazın işlenmesi.(Öğretmenin öğrencilerden kok üretimini ve petrol, doğal ve ilgili gaz işlemenin ana alanlarını hatırlamalarını istemesi uygun olacaktır.)

Tüketici veya ticari markaya göre: boya, gübre, ilaç vb. üretimi(öğretmen öğrencilerden en önemli mineral gübrelerin sınıflandırılmasını ve üretimini hatırlamalarını ister.)

Periyodik sistem gruplarına göre : alkali ve toprak alkali metaller, alüminyum vb. üretimi.(öğretmen öğrencilerden alkali ve toprak alkali metaller ile alüminyumun elektrolitik hazırlanışını hatırlamalarını ister.)

6. öğrenci. Kimyasal işlemler de aşağıdaki kriterlere göre sınıflandırılır.

türe göre kimyasal reaksiyonlar: oksidasyon, indirgeme, hidrojenasyon, klorlama, polimerizasyon vb.(öğretmen öğrencilerden uygun tepkileri hatırlamalarını ve örnekler vermelerini ister.)

Aşamaya göre: homojen (sıvı faz ve gaz fazı), heterojen.(Öğretmen öğrencilerden ilgili süreçleri hatırlamalarını ve örnekler vermelerini ister.)

Öğretmen (özetler). Modern kimya teknolojisi görevler hammadde ve enerjinin entegre kullanımı, çeşitli endüstrilerin birleşmesi ve işbirliği, üretimde teknolojik süreçlerin sürekliliği, çevre güvenliği ve ekonomik fizibilite.

Bununla birlikte, modern madde ve malzeme üretiminin çoğu zaman canlı organizmaların ve biyolojik süreçlerin, yani. biyoteknolojiye.

biyoteknoloji

7. öğrenci (Biyoteknolojinin ortaya çıkış ve gelişiminin tarihçesini tanımlar ve anlatır). biyoteknoloji - canlı organizmaların ve biyolojik süreçlerin üretimde kullanılması bilimi olarak anlaşılan teknolojinin en önemli bölümlerinden biri.

Bu bilim ve endüstrinin gelişiminde üç aşama ayırt edilebilir: erken veya kendiliğinden biyoteknoloji, yeni biyoteknoloji ve en son biyoteknoloji.

Erken veya kendiliğinden, biyoteknoloji Eski çağlardan beri insana aşina olan mikrobiyolojik fermantasyon süreçleriyle ilişkilidir ve temelleri: fırınlama, şarap yapımı, bira yapımı, peynir yapımı, fermente süt ürünleri elde edilmesi, dekapaj, keten lifi elde edilmesi vb.

Kendiliğinden biyoteknoloji süreçleri, belirli koşullar altında ve canlı bir hücrenin dışında biyolojik aktivitelerini koruyan mikroorganizmaların ve enzimlerin aktivitesine dayanır.(Öğrenci, mesajının bu kısmına, bu şekilde yapılan gıda ürünleri koleksiyonunun bir gösterimi ile eşlik eder (bir şişe şarap, bir parça ekmek ve peynir, vb.)

Yeni biyoteknoloji 1970'lerin ortalarından beri "biyoteknoloji" teriminin bilime girmesiyle ilişkilendirildi. 20. yüzyıl ve çevre kirliliğiyle mücadele için biyolojik yöntemlerin kullanılması (biyolojik arıtma), değerli biyolojik olarak aktif maddelerin (antibiyotikler, enzimler, hormonlar, vitaminler, vb.) üretimi, bitkileri zararlılardan ve hastalıklardan korumak için.(Biyoteknolojik ürün örneklerinin gösterilmesi.) Yem katkı maddesi olarak kullanılan proteinlerin ve amino asitlerin elde edilmesi için mikrobiyolojik senteze dayalı endüstriyel yöntemler geliştirilmiştir.

En son biyoteknoloji sadece çeşitli mikrobiyolojik sentezin gelişimi ile değil, her şeyden önce genetik mühendisliğinin, hücre mühendisliğinin ve biyolojik mühendisliğin ortaya çıkışı ve gelişimi ile ilişkilidir. En son biyoteknolojinin başarıları, mikrobiyoloji, biyokimya, biyofizik, moleküler genetik ve immünoloji gibi biyolojik disiplinlerin entegrasyonuna dayanmaktadır.

8. öğrenci (genetik mühendisliği hakkında konuşuyor). Genetik mühendisliği belirli bir ürünü sentezleyebilen canlı hücrelere verilen gen kombinasyonlarının yeni, doğada var olmayan amaca yönelik inşası ile ilişkili bir biyoteknoloji dalıdır.

Genetik mühendisleri tarafından tasarlanan gen kombinasyonları, alıcı hücrede işlev görür ve gerekli proteini sentezler. Özellikle pratik ilgi, çeşitli gen yapılarına sahip hayvanların ve bitkilerin genomuna giriştir: hem sentezlenmiş hem de diğer hayvanların, bitkilerin ve insanların genleri. Bu tür bitki ve hayvanlara denir. genetiği değiştirilmiş, ve bunların işlenmesinin ürünleri - transgenik ürünler. Transgenik mısır şekerlemelere eklenir ve unlu Mamüller, alkolsüz içecekler; Modifiye edilmiş soya rafine yağlar, margarinler, pişirme yağları, salata sosları, mayonez, makarna, pişmiş sosisler, şekerlemeler, protein takviyeleri, evcil hayvan mamaları ve hatta bebek mamalarında bulunur.(Genetiği değiştirilmiş organizmalar (GDO'lar) içeren bir gıda ürünleri koleksiyonunun ve etiketleriyle birlikte etiketlerin gösterilmesi.)

Bitkilerin genetik modifikasyonu, yabani otlara ve zararlılara karşı yüksek düzeyde dirençli bitki çeşitlerinin oluşturulmasına izin verir. Bu, herbisit tüketimini birkaç kez azaltır, böylece çevre üzerindeki kimyasal yükü azaltır. Herbisitlere dayanıklı transgenik pamuk, kolza tohumu, soya fasulyesi, mısır ve şeker pancarı çeşitleri artık yurt dışına ekiliyor.

Tarımsal uygulama, örneğin bezelye, soya fasulyesi, geliştirilmiş protein bileşimine sahip tahıllar gibi artan tüketici özelliklerine sahip transgenik çeşitleri içerir. Transgenik çekirdeksiz domatesler yaratıldı ve çekirdeksiz kiraz, karpuz ve turunçgiller yolda.

Genetik mühendisliği yöntemleriyle, yaban lahanasından dona dayanıklılık geninin nakledildiği Kanada'da üzüm elde edildi ve ilk kez bu ülkede üzüm bağları ortaya çıktı.

Hayvancılıkta genetik mühendisliği yardımıyla yüksek verimli hayvan ırkları (koyun, domuz, tavuk vb.) elde edilmiştir.

Farmakolojide, genetik mühendisliği yöntemleri uçuk, tüberküloz ve koleraya karşı oldukça etkili aşılar oluşturmayı mümkün kılmıştır; kimya endüstrisinde, petrol sızıntılarını yok edebilen yeni maya ve bakteri türleri.

9. öğrenci (hücre mühendisliği hakkında konuşuyor). hücre mühendisliği- yeni tipte hücreler oluşturma yöntemi.

Hücre kültürü, sıvı veya yoğun bir besin ortamının yapay olarak oluşturulmuş koşullarında vücut dışında canlılıklarını korumanıza izin verir. Bu tür hücre klonları, kırmızı kan hücrelerinin oluşumunu uyaran eritropoietin hormonu gibi biyolojik olarak aktif maddelerin üretimi için orijinal fabrikalar olarak kullanılır. Hemofili tedavisi için kan pıhtılaşma faktörlerini (III ve VIII), diyabet tedavisi için insülini ve uygun aşıyı elde etmek için hepatit B virüsünün yüzey proteinini elde etmek için hücre mühendisliği yöntemleri kullanılmıştır.

Meslekten olmayanlar için hücre mühendisliğinin en iyi bilinen fenomeni, canlı organizmaların klonlanmasıdır (ünlü koyun Dolly'yi hatırlayın). Akademisyen V.A. Strunnikov tarafından yetiştirilen ipekböceği klonları tüm dünyada bilinmektedir.

Bugün en umut verici yön, başarısı öncelikle sözde embriyonik kök hücrelerle ilişkili olan deneysel embriyoloji alanında klonlamadır. Bu tür hücrelerin en önemli özelliği, çekirdeklerinde bulunan genetik bilginin deyim yerindeyse durağan, yani. embriyonik kök hücrelerde, bir veya başka bir dokuya farklılaşma programı henüz başlatılmamıştır. Herhangi bir programı alıp 150 olası germ hücresinden birine dönüşebilirler. Embriyonik hücreler, dönüşümlerinden birini başlatmak için özel bir sinyal bekliyorlar. Onların bu şaşırtıcı yeteneği, embriyo gelişiminin erken bir aşamasında embriyonun büyümesinden sorumlu olan tüm genlerin hücresindeki fazla RNA tarafından belirlenir. Embriyonik hücreleri benzersiz kılan faktörler, onların çok çeşitli dokuları ve herhangi bir insan organını büyütmek için kullanılmalarına izin verir. Unutulmamalıdır ki embriyonik kök hücre adacıkları çeşitli organ ve dokularda bulunur. Hasar görmüş organ ve dokuları restore etmeyi ve birçok ciddi hastalığı tedavi etmeyi mümkün kılan bu hücrelerdir. Bununla birlikte, birçok ülkede insan klonlama ve insan embriyonik kök hücrelerinin ekimi üzerine deneylerin yasak olduğu unutulmamalıdır.

10. öğrenci (biyolojik mühendisliği hakkında konuşuyor). Biyolojik Mühendislik- endüstriyel ürünler elde etmek için mikroorganizmaları biyoreaktör olarak kullanma yöntemleri.

Biyoteknolojinin bu bölümü, ne yazık ki esas olarak kaynak satarak yaşayan Rusya için özellikle önemlidir. Ülkemizdeki petrol sahalarının ortalama getirisi %50'yi geçmemektedir. Petrol rezervuarlarının mikroflorasını düzenlemek için yeni ve benzersiz bir mikrobiyolojik teknoloji kullanan Tatneft, Başkıristan tarlalarından ilave 500.000 ton petrol aldı.

Mikrobiyolojik teknolojiler, demir dışı ve demirli metallerin elde edilmesinde etkilidir. Kavurmaya dayanan geleneksel teknoloji, "asit yağmurunun" temeli olarak hizmet eden atmosfere çok miktarda kükürt ve azot oksit yayılmasına yol açar. Bu eksiklikler biyolojik mühendisliğe dayalı teknolojiden yoksundur. Örneğin Krasnoyarsk Bölgesi'nde, bu metalin düşük içeriğine sahip kayalardan altının çıkarılmasına izin veren sekiz mikrobiyolojik fermenter vardır. Modern dünya Bakır, molibden ve diğer demir dışı metallerde akut kıtlık yaşayan , mikrobiyolojik yöntemlerle çözülmesini umutla bekliyor.

Metanotrofik bakteriler kullanarak madenlerdeki metan konsantrasyonunu azaltmak için yeni bir yöntem üzerinde Rusya Bilimler Akademisi Mikrobiyoloji Enstitüsü'nde tamamlanan çalışmalara dikkat etmek önemlidir. Kömür madenlerindeki trajedilerle ilgili sık sık basında çıkan haberlerin arka planına karşı bu çalışmanın alaka düzeyini söylemeye gerek yok.

Biyoloji mühendisliğinin en umut verici alanı, hareketsizleştirilmiş enzimlerin oluşturulmasıdır.

Hareketsizleştirilmiş enzimler, molekülleri suda çözünmeyen bir polimer taşıyıcıya kovalent olarak bağlı olan enzim preparatları olarak adlandırılır. Bu tür enzimler, ülke ekonomisinin çeşitli alanlarında kullanım için etkilidir. Böylece mayadan elde edilen invertaz yapay bal üretiminde kullanılabilir; laktaz - peynir altı suyundan düşük laktoz ve glikoz-galaktoz alkol içeriğine sahip diyet sütü elde etmek; üreaz - "yapay böbrek" aparatında kanın saflaştırılması için.

Tıbbi uygulamada tüp ve intravenöz beslenme için protein hidrolizatları ve amino asit karışımları elde etmek için kullanılan hareketsizleştirilmiş bakteriyel proteaz formları geliştirilmiştir. Kardiyovasküler hastalıkların tedavisi için, damarlarda oluşan kan pıhtılarını çözmek için damarlara enjekte edilebilen hareketsizleştirilmiş streptokinaz preparatı geliştirilmiştir. Analitik amaçlar için immobilize enzimlerin kullanımı (enzim elektrotları şeklinde) umut vericidir.

nanoteknoloji

11. öğrenci (nanoteknolojinin bir tanımını yapar ve içinde var olan iki yaklaşımdan bahseder, konuşmaya bir bilgisayar sunumu eşlik eder). Nanoteknoloji, sıradan hammaddelerden değil, doğrudan atom ve moleküllerden maddeler ve malzemeler elde etmek için moleküler yapıların kontrollü bir sentezi olarak anlaşılmaktadır. özel cihazlar yapay zeka temelinde çalışıyor.

Yeni bilimin adı, ölçüm ölçeğinde bir milyar kez azalma anlamına gelen “teknoloji” kelimesine “nano” ön ekinin eklenmesi sonucu oluşmuştur: 1 nanometre (1 nm) bir milyonda biridir. milimetre, yani 1 nm = 10 -9 m Bu değeri mecazi olarak temsil etmek için aşağıdaki karşılaştırmayı kullanıyoruz: 1 nm, bir okul ders kitabı sayfasının kalınlığından yaklaşık bir milyon kat daha azdır. Arka arkaya on hidrojen atomu 1 nm uzunluğundadır ve şaşırtıcı bir şekilde insan DNA molekülünün çapı tam olarak 1 nm'dir.

Nanoteknoloji, 1 ila 100 nm büyüklüğündeki nesneleri manipüle etme işlemlerini ifade eder.

Nanoteknolojide genel olarak sadece iki yaklaşım vardır. Geleneksel olarak "yukarıdan aşağıya" ve "aşağıdan yukarıya" olarak adlandırılırlar.

İlk yaklaşım yukarıdan aşağıya işlenmiş hammaddelerin veya malzemelerin boyutunun mikroskobik parametrelere indirilmesine dayanır. Böylece, örneğin, yarı iletken cihazlar, iş parçalarının lazer veya X-ışınları ile işlenmesiyle elde edilir. Şablondan geçen bu ışınlar, kaynak malzeme üzerinde gerekli talaş yapısını oluşturur. Bu tür nanoteknoloji denir fotolitografi(litografi, bir malzeme üzerine bir taş üzerine oyulmuş bir görüntünün izlenimini elde etme işlemidir). Bunun bir analogu, tişörtlere çizimlerin veya yazıların uygulanması olabilir. Nanodünyada bu yöntemin bir varyasyonu baskı litografi. Bu durumda, kauçuk benzeri bir silika jel polimeri, daha sonra bir tür moleküler mürekkeple kaplanacak olan prob araçları kullanılarak modellenir. Böyle bir "kauçuk conta" herhangi bir yüzeye basılabilir (örneğin, nanoskopik bilgisayar çipleri elde etmek için).

Sonuç, planlanan devre konfigürasyonudur. Bu tür yongaların çözünürlüğü (elementlerinin minimum boyutu), lazerin dalga boyu tarafından belirlenir. Bu şekilde 100 nm'ye kadar eleman boyutlarına sahip şemalar elde edilir. Sonuç olarak, bu yaklaşım nanodünyadaki en büyük malzemeleri ve cihazları elde etmeyi mümkün kılar.

Nanoteknolojinin ikinci yaklaşımı “aşağıdan yukarıya” gerekli yapının daha düşük sıralı elemanların (atomlar, moleküller, kümeler vb.) Bir araya getirilmesiyle gerçekleştirilmesi gerçeğinden oluşur. Bu tür nanoteknoloji için prob tarama araçları kullanılır. Atomları veya molekülleri, onları iterek veya kaldırarak alt tabakanın yüzeyi boyunca hareket ettirebilirler. Bu durumda, tarama aracının sondası, nanodünyanın bir tür ekskavatörü veya buldozeri gibi davranır.

Bu yaklaşımın nanoteknolojilerdeki ana yöntemleri şunlardır: moleküler sentez, kendi kendine bir araya gelme, nanoskopik kristal büyümesi ve polimerizasyon.

moleküler sentez moleküler parçalardan veya atomlardan bir araya getirerek önceden belirlenmiş özelliklere sahip moleküller oluşturmaktır. İlaçlar böyle yapılır. Yeni nesil antibiyotikler veya ünlü Viagra dahil olmak üzere birçok modern ilaç moleküler sentezin ürünleridir. Moleküler nanoskopik sentez aynı zamanda bu tür ilaçların özel moleküler kabuklarda paketlenmesi sorunlarını da çözerek bu ilaçların doğrudan vücudun etkilenen bölgelerine iletilmesini mümkün kılar.

kendi kendine montaj- Bu, atomların veya moleküllerin bağımsız olarak daha karmaşık moleküler yapılar oluşturacak şekilde bir araya gelme yeteneğine dayanan bir nanoteknoloji yöntemidir.

Kendi kendine bir araya gelme ilkesi, minimum enerji ilkesine dayanır - atomların ve moleküllerin kendileri için mevcut olan en düşük enerji seviyesine geçme arzusu. Bu, diğer moleküllerle birleşerek başarılabilirse, orijinal moleküller birleşecektir; Bunun için uzaydaki konumunuzu değiştirmeniz gerekiyorsa, kendilerini yeniden yönlendireceklerdir.

En az enerji ilkesini göstermek için orijinal bir model, bir taşı zorlukla bir dağın tepesine kaldıran ve inatla yokuştan aşağı kaymaya çalışan Sisifos hakkındaki antik Yunan efsanesi olabilir. en düşük enerji seviyesini alın.

Moleküllerin uzaydaki oryantasyonuna dayalı olarak kendi kendine bir araya gelmeyi görselleştirmeyi mümkün kılan bir başka model, sallanabilen, döndürülebilen bir pusulanın davranışıdır, ancak iğnesi her zaman kuzeyi gösterecek ve ona bağlı küçük bir mıknatısın enerjisini en aza indirecektir. Dünya'nın alanına göredir. Bu konumu elde etmek için ok üzerinde herhangi bir iş yapılmasına gerek yoktur, ok doğal olarak yapar. Kendi kendine montaj yöntemleri, bir pusula iğnesi gibi doğal olarak gerekli malzemenin yapılarına monte edilen atomlardan ve moleküllerden nanoskopik hammaddeler yaratma fikrine dayanır.

Canlı organizmalarda, kendi kendine toplanma, asimilasyon süreçlerinin temelidir, yani. belirli bir canlı organizma için gerekli proteinlerin, yağların, karbonhidratların, polinükleotitlerin sentez süreçleri. Biyolojik dokuların yapılanması ve montajı atomik-moleküler düzeyde gerçekleşir ve canlı organizmalar bunları yüksek verimlilikle gerçekleştirir. Nanosentez böyle bir şeyi ancak hayal edebilir. Bununla birlikte, nanotasarımcılar, bir substratın yüzeyine veya önceden birleştirilmiş bir nanoyapıya belirli atomlar veya moleküller sokar. Ayrıca, ilk nanomalzemenin molekülleri uzayda yönlendirilir ve belirli bir nanoyapıda toplanır. Böyle bir yapının bir sonda aracı kullanılarak yavaş ve meşakkatli inşasına gerek yoktur. Bu, kendi kendine montajın avantajıdır.

Şu anda kendi kendine montaj kullanarak bilgisayar depolama aygıtları oluşturmak mümkündür. Aynı zamanda bir yüzeyi korozyondan korumak veya ona pişirme kaplarında kullanılan Teflon gibi özel özellikler kazandırmak için de kullanılabilir. Kendi kendine montaj yardımı ile, örneğin otomotiv endüstrisinde, bina camlarının üretiminde ve optikte yaygın olarak kullanılabilen hidrofilik ve hidrofobik camların prototipleri yapılmıştır.

Nanoskopik kristal büyütme, kristallerin tohum kristalleri (kristalizasyon merkezleri) kullanılarak çözeltiden büyütülebildiği nanoteknolojik bir yöntemdir.

Mikroçip oluşturmak için kullanılan silikon bloklar bu şekilde üretilir.

Bu yöntem, uzun, çubuk benzeri karbon nanotüpler veya silikon nanoteller büyütmek için kullanılabilir. Bu tür nanomalzemeler benzersiz iletken özelliklere sahiptir ve optik ve elektroniğin birçok alanında kullanılmaktadır.

polimerizasyon- bu, polimerizasyon veya polikondenzasyon reaksiyonları kullanılarak orijinal monomerlerden polimer formunda nanomalzemelerin üretilmesine dayanan bir nanoteknoloji yöntemidir. Uygulanması için, çeşitli DNA parçalarının sentezine izin veren sözde gen makineleri kullanılır (bunlara, bir polinükleotidin - tam DNA'nın aksine, biraz, hafifçe, Yunan "oligosundan" oligonükleotitler denir). Daha sonra bu parçalardan aynı gen makinelerinin yardımıyla belirli bir maddenin üretimi için gerekli matrisler oluşturulur. Sentezlenen DNA şablonları, daha sonra istenen proteinin birçok kopyasını üreten bakterilerin DNA'sına eklenir. Bu, hemen hemen tüm seçili proteinleri üretmek için protein fabrikalarını etkili bir şekilde kurmanıza olanak tanır. Bu nanoteknoloji yönteminin pratik uygulamasına bir örnek, diyabet tedavisi için insülin üretimidir.

12. öğrenci (bazı nanomalzeme gruplarının sınıflandırılması ve temsilcileri hakkında konuşur). 2004 yılında Almanya'da Wiesbaden'de yedinci Uluslararası konferans aşağıdaki sınıflandırmanın önerildiği nanoyapılı malzemeler üzerinde.

nano gözenekli katılar. Bunları elde etmek için sol-jel teknolojisi kullanılır. Dağınık sistemlerin kurutulmasına dayanır. Bu teknolojinin ürünleri metal oksitler içeren nanomalzemelerdir ( Al 2 O 3, V 2 O 5, Fe 2 O 3 vb.), katalizörler, süper kapasitörler olarak kullanılabilen, yakıt hücreleri ve benzeri.

nanopartiküller- bunlar, örneğin, endüstriyel ölçekte istenen proteinin üretimi için DNA oluşturmak için gen makinelerinde kullanılan yukarıda bahsedilen oligonükleotidlerdir. Ayrıca vücuttaki belirli noktalara ilaç ulaştırmak için kullanılan taşıyıcı parçacıklardır.

Nanotüpler. Nanotüpler tamamen yeni bir malzeme şeklidir. Yarı iletken ve metalik nanotüpler vardır. En çok ilgi çekenler, 0,5 ila 10 nm çapında ve yaklaşık 1 mikron uzunluğunda küçük silindirler biçimindeki karbon yarı iletken nanotüplerdir. Tek duvarlı karbon nanotüpler, bir rulo halinde sarılmış tek bir grafit tabakası olarak düşünülebilir (molekülü tek bir grafit tabakasından oluşan bir futbol topuna benzeyen fullerenin aksine).

(Nanotüpler düşünüldüğünde, öğretmenin allotropi fenomenini ve özellikle karbonun dört allotropik modifikasyonunu hatırlaması uygun olacaktır: elmas, grafit, karbin ve fulleren.)

Karbon nanotüpler, fullerene benzer bir kristal yapıdır, ancak farklı bir şekle monte edilmiştir ve bu nedenle farklı özelliklere sahiptir (bazı araştırmacıların nanotüpleri karbonun başka bir modifikasyonu olarak düşünmelerini önermesine şaşmamalı). Karbon nanotüpler, büyük miktarlarda hidrojeni emebilir ve tutabilir, bu nedenle hidrojen yakıtlı motorlar ve hidrojen pilleri oluşturmak için değerli bir malzemedir. Karbon nanotüplerin yarı iletken özelliği vardır. Bunları kullanmak, voltajın 500 V'a düşürüleceği düşük sıcaklık katotlarına gelmeyi mümkün kılacaktır (10 kV'luk bir voltajda çalışan mevcut televizyon katotlarının aksine). Çok duvarlı nanotüpler, yüksek kaliteli çeliklerden 50-60 kat daha fazla olan 63 GPa'ya ulaşabilen yüksek bir gerilme mukavemetine sahiptir. Bu tür tüplerin dayanabileceği basınç, geleneksel elyaflardan binlerce kat daha yüksek olan 100 GPa'ya ulaşır. Bu, kurşun geçirmez yelek ve gözlük malzemelerinin yanı sıra depreme dayanıklı yapı malzemelerinin üretiminde kullanılmalarını sağlar. Karbon nanotüpler çok düşük bir yoğunluğa sahiptir, bu da onlardan askeri ve havacılık ekipmanlarında ve ayrıca otomotiv endüstrisinde talep edilen yüksek mukavemetli kompozit malzemelerin elde edilmesini mümkün kılar. Karbon nanotüpler yüksek katalitik aktiviteye sahiptir, bu nedenle normal koşullar altında imkansız olan bu tür kimyasal reaksiyonları gerçekleştirmek için kullanılabilirler, örneğin sentez gazından etil alkolün doğrudan sentezi (bir karbon monoksit ve hidrojen karışımı). Nanotüplerin katalizör taşıyıcı olarak kullanımı, kimyasal kararlılıkları ve geniş yüzey alanları ile belirlenir.

Nanodispersiyonlar– faz parçacıklarının nano boyutta olduğu ve sıvı bir ortamda dağıtıldığı dağınık sistemler. Ana uygulamaları kontrollü teslimattır. ilaçlar modern kozmetik malzemelerin (bronzlaşma ürünleri, maskaralar, çeşitli kremler) üretiminin yanı sıra vücuda girer.

Nano yapılı yüzeyler ve filmler. Her şeyden önce bunlar, implante edilen organların reddedilmesini önlemek için nanoyapılı malzemelerle kaplanmış yapay ve donör organların yüzeyleridir.

Nanokristaller ve nanotaneler. Kolloid kimyası yöntemlerini kullanarak, nanokristal formda birçok iyi bilinen malzeme elde etmek mümkün oldu: yarı iletkenler, manyetik malzemeler, vb. Bu tür kristallerin metalurjide kullanılması, çeliğin mukavemetini ve diğer niteliklerini arttırmayı mümkün kılar. Bu çelik, örneğin gaz işleme ve gaz taşıma sektörlerinde yalnızca daha ince değil, aynı zamanda yüksek basınca dayanabilen daha güçlü borular yapmak için kullanılır. Nanokristaller ve nanotaneler, yüzeyleri moleküler hassasiyetle işlemeyi mümkün kılar. Tıpta yeni nesil antikanser ilaçlarının üretimi için de kullanılabilirler. Nano tanecikli malzemeler, düşük güç tüketimine sahip ışık yayan cihazların yanı sıra ultra yüksek hızlı manyetik kayıt için ortam oluşturmak için çok çeşitli olanaklar sunar.

İki veya üç öğrenciden oluşan bir grup, nanoteknolojinin yaşamın çeşitli alanlarında uygulanması hakkında bir sunum yapar. modern toplum, şema 2'yi kullanarak ( bkz. s. 14).

Şema 2

Nanoteknolojinin çeşitli alanlarda uygulanması
toplum hayatı

13. öğrenci. Enerji. Fosil yakıtların (doğal gaz, petrol, kömür vb.) kullanımına bir alternatif, güneş ışığını doğrudan güneş ışığına dönüştüren fotovoltaik hücrelerin kullanılmasıdır. elektrik enerjisi, - sözde güneş panelleri ve verimliliklerini arttırmak. Bu cihazlar öncelikle silikona ve daha az yaygın olarak germanyuma dayanır. Silikon güneş pilleri konut yapımında kullanılır ve endüstriyel üretim, hem de hesap makinelerinde vb. Güneş ışığı, tek bir silikon kristali veya polikristal olan bir yarı iletken üzerine odaklanır. Bu tür kristalleri elde etmek nanoteknolojinin görevidir. Fosil yakıt enerjisini kullanmanın bir başka alternatifi, hidrojen için yüksek adsorpsiyon kapasitesine sahip karbon nanotüpler gibi yeni yakıt hücreleri oluşturmaktır.

Dolaylı olarak, nanoteknolojilerin yardımıyla enerji sorunları, yarı iletken bilgi teknolojilerinde nanocihazların kullanılması olasılığı ile çözülmektedir.

Elektronik. Zaten nanoteknoloji, boyutları 30 ila 100 nm arasında değişen yarı iletken elemanların üretilmesini mümkün kılıyor. Gelecekte, bu tür elemanların boyutu 35-50 nm'ye düşürülecek. Böyle bir fırsat, elektronik endüstrisinde karbon nanotüplerin ve yeni tipte depolama cihazlarının (örneğin, tek elektronlu bellek) kullanılmasıyla sağlanacaktır. Buna karşılık, bu bilgi aktarım hızını saniyede yaklaşık 10 gigabit'e çıkaracaktır. Ek olarak, manyetik disklerdeki kayıt yoğunluğunun derecesini yaklaşık 1000 kat artırmayı mümkün kılan terabit depolama cihazlarının oluşturulmasıyla çözülen bilgi depolama teknolojisinin iyileştirilmesi büyük önem taşımaktadır.

Havacılık ve uzay. Havacılıkta, nanoteknolojiler öncelikle yeni yapısal malzemelerin yaratılması gibi hava taşımacılığının geliştirilmesinde böyle bir faktörü etkiler. Diğer iki faktör: motor yapısının geliştirilmesi ve uçağın aerodinamiğinin iyileştirilmesi de nanoteknolojiye bağlıdır, ancak daha az ölçüde. Nanoteknolojilerin yardımıyla 1000–1600 °C sıcaklıklara dayanabilen ısıya dayanıklı seramik kompozit malzemeler (yani iki veya daha fazla bileşenden oluşan malzemeler) ve 200–400 °C sıcaklıklara dayanabilen polimer kompozitler oluşturulacaktır. Kozmonotikte, kompozitler için gereksinimler daha da yüksektir: çok ısıya dayanıklı (yaklaşık 3000 °C sıcaklıklara dayanabilir), ultra hafif ve süper güçlü olmalıdırlar. Buran'ımızı yapmak için kullanılan ve Amerikan Mekiklerinin imalatında kullanılan bu malzemelerdir.

14. öğrenci. İlaç. Nanoteknolojiler, "moleküler tanıma" özelliğine sahip materyaller oluşturmayı ve insan vücudunu uzun süre izleyebilen biyosensörlerin seri üretimini organize etmeyi mümkün kılıyor, bu da bazı hastalıkların erken teşhisini mümkün kılıyor. Ayrıca, hastalıkların teşhis ve tedavisi için nanorobot adı verilen özel nanoskopik cihazların kullanılması ihtimali de var. İnsan vücuduna tanıtıldığında, aterosklerotik birikintilerin damarlarını temizleyebilir, genç kanserli tümörleri yok edebilir, hasarlı DNA moleküllerini onarabilir, tam bir teşhis koyabilir, belirli organlara ve hatta hücrelere ilaç verebilir, vb. sözde DNA çipleri, tek bir kişinin genetik bilgilerini analiz etmeyi ve bu bilgilere göre bireysel ilaçların oluşturulmasına dayalı bir tedavi kursu yürütmeyi kolaylaştıracaktır. Nanoteknolojinin kullanımı, insan dokularının yerine yeni biyomalzemeler ve yapay fonksiyonel polimerler elde etmeyi mümkün kılar.

Nanoteknoloji, tıpta kullanılan nanoaletler ve nanomanipülatörler oluşturmak için kullanılır. Yani, nanocımbızlar ve nanoiğneler çoktan ortaya çıktı. Örneğin, nano cımbızlar, bir cam elyaf substrat üzerine paralel olarak yerleştirilmiş 50 nm çapında iki karbon nanotüp kullanılarak yapılır. Bu tüpler, cımbızı simüle ederek, onlara voltaj uygulandığında birleşir ve uzaklaşır. Japonlar, uzunluğu sadece 3 nm olan ve tek tek molekülleri manipüle etmenize izin veren nano cımbızlar yarattı. Novosibirsk'ten yerli bilim adamları, nanoaletlerini - hücrelere enjekte edebilen nanoiğneler - sundular.

Nanoteknolojiler ayrıca biyolojik olarak aktif maddelerin kendi kendine montaj yöntemleriyle üretimini organize etmeyi mümkün kılacaktır. Bu sorunu çözmek için nanoteknoloji uzmanları, çeşitli insan organlarının (sinir, epitel, karaciğer hücreleri vb.) hücrelerine dönüşebilen embriyonik kök hücrelere özel önem veriyorlar. Kök hücrelerin dönüşüm süreçleri, hücresel yapıların kendi kendine bir araya gelme mekanizmaları ile ilişkilidir. Kök hücrelerin kullanımı, hasarlı organların değiştirilmesine ve hasarlı bölgelerin kısmen “onarılmasına” yardımcı olacaktır.

Biyoteknoloji. Nanoteknolojinin bu uygulama alanı zaten düşünülmüştü, ancak bir kez daha bu iki teknolojinin ilişkisine ve önemine dikkat etmeye değer. Orijinal anlamıyla biyoteknoloji, nano ölçekte belirli proteinleri elde etmek için DNA sentez yöntemlerinin kullanılmasıydı. Escherichia coli bakterileri, bir DNA fragmanının belirli bir proteinin sentezi için gerekli bir bölgeyle değiştirildiği protein üretiminin "fabrikaları" olarak işlev gördü. Bu tür yapıların en çarpıcı örnekleri, tıpta yaygın olarak kullanılan insülin, vücudun büyüme faktörü (somatotropin) ve faktör VIII (veya kanın pıhtılaşmasına neden olan ve hemofilide kullanılan pıhtılaşma faktörü) üretimidir.

15. öğrenci. Tarım. BM'ye göre şu anda Dünya'da yaklaşık 7 milyar insan yaşıyor ve tahminlere göre 2050 yılına kadar dünya nüfusu 100 milyar kişiye ulaşabilir. Şimdiden gıda sorunu insanlık için küresel. Ortalama herhangi bir insan gıda fiyatlarındaki yükselişi gün be gün izleyebilir.

İnsanlığın gıda sorununun çözümü, her şeyden önce, üretkenliği ve besin değeri artırılmış bitki çeşitlerinin yaratılması için genetik mühendisliği ve biyoteknolojinin yaygın olarak kullanılmasına ve ayrıca yüksek verimli hayvan ırkları ve mikroorganizma suşlarının yaratılmasına bağlıdır.

Biyoteknoloji ve genetik mühendisliğinde kullanılan nano araçlar ve enzimatik teknikler, bu problemlerin daha hızlı çözülmesini mümkün kılmaktadır. Bu nedenle, herkes tarafından iyi bilinen yeni genetiği değiştirilmiş soya fasulyesi çeşitlerinin üretimi hızla gelişmektedir. Geleneksel domates, patates, mısır, bezelye, buğday, pirinç vb. çeşitlerinin yanı sıra egzotik tatlı patates ve papaya tarımsal uygulamada, yabani otlara ve zararlılara karşı dayanıklı ve verimi arttırılmış genetiğiyle oynanmış çeşitlere yol açmaktadır.

Ekoloji. Nanoteknolojinin yardımıyla çevreyi, Dünya atmosferinin sıcaklığındaki artış, ozon tabakasının tahribatı, dioksin kirliliği ve asit yağmuru ile ilişkili zararlı etkilerden korumak mümkündür.

Geçen yüzyılın sadece 40 yılında Dünya'nın ortalama sıcaklığı 0,5 °C arttı. Yeni yüzyılda ortalama sıcaklığın 3 °C daha artacağı tahmin ediliyor. Bunun sonuçları insanlığı birçok sıkıntıyla tehdit ediyor: dünya okyanusunun seviyesi 65 cm yükselecek (birçok ülkenin kıyı bölgeleri sular altında kalacak), iklimde radikal bir değişiklik olacak, bir kayma olacak. doğal alanlar Nanoteknolojiler, aşağıdakilerin yardımıyla Dünya'nın atmosferi üzerindeki sıcaklık etkilerini azaltmak için bir fırsat sağlar:

alternatif aramak enerji kaynakları,

güneş panellerinin iyileştirilmesi,

egzoz gazlarındaki karbon monoksit (IV) içeriğinin azaltılması.

Endüstride ve ev aletlerinde yaygın olarak kullanılan freonların (soğutucu akışkanlar, aerosoller) etkisi altında ozon tabakasının tahrip olması, cilt kanseri ve lösemide önemli bir artışa neden olabilir. Bu nedenle nanoteknolojiler, freonların yerini alacak madde ve materyaller yaratma görevi ile karşı karşıyadır.

Dioksin ile çevre kirliliği sorunu, endüstriyel amaçlar için klor içeren bileşiklerin (polivinil klorür, klorlu hidrokarbonlar, vb.) yaygın kullanımı ile ilişkilidir.

Nanoteknolojilerin yardımıyla klor içeren polimerlerin yerini alabilecek yeni malzemeler sentezleniyor; çevrenin uzun vadeli ve doğru izlenmesi için biyosensörler oluşturuluyor; nanotozlar çevre kirliliğiyle ve her şeyden önce petrol sızıntılarıyla mücadele için üretilir; nanofiltreler, ulaşım ve endüstriyel tesisler yoluyla çevreye kükürt ve nitrojen oksit emisyonları dahil olmak üzere dioksin ve diğer atıkların çevreye girmesini önlemek için tasarlanmaktadır. İkinci amaç için, nanoteknolojilerin yardımıyla oluşturulan katalizörler ve bunların taşıyıcıları önemli bir rol oynayabilir.

Optik. Kristal tanelerin boyutunu nanometre ölçeklerine indirgemek, camsı malzemelerden çok yüksek ve ayarlanabilir kırılma indeksleri, renk değişimleri, mukavemet vb. ile yeni optik ortamlar yaratmayı mümkün kılar. Bu tür ortamlara nanoglass adı verilir. Uygulama alanları son derece çeşitlidir. Örneğin, nanoteknolojinin kullanılmasıyla, cam yüzeyde çeşitli nanomalzemelerle doldurulmuş petek yapılar oluşturulmaktadır. Bu tür gözlükler, dijital bilgileri depolamak ve iletmek için yüksek verimli cihazlar oluşturmak için kullanılabilir. Ayrıca, kısa dalga boylu lazerlerle birleştirilen nanocamlar, süper güçlü optik depolama cihazları ve artırılmış görüntü netliğine sahip film malzemeleri üretmeyi mümkün kılacaktır. Nano gözlükler, optik anahtarlar ve ince optik dalga kılavuzları üretmek için kullanılabilir. Ortalama bir insanın zihninde, karartmanın yoğunluğunu değiştiren “bukalemun” gözlükleri ve araba camları nadiren nanodünya hakkındaki fikirlerle ilişkilendirilir, ancak durum tam olarak budur.

Olimpiyatların yakın zamanda sona erdiği Pekin'deki Su Sporları Merkezi'nde çatı, doğal ışığın yoğunluğuna bağlı olarak renk yoğunluğunu değiştirebilen ve ayrıca sıcaklık rejimine bağlı olarak içe veya dışa doğru kavis yapabilen nano camlar kullanılarak yapıldı.

Öğretmen. Nanobilim ve nanoteknoloji, daha önce özerk olarak kabul edilen modern bilimler ve teknolojilerin entegre bir alanıdır: fizik, kimya, biyoloji ve uzmanlıkları (biyokimya, biyofizik, atomik mikroskopi) ve ayrıca Bilişim Teknolojileri, biyoteknoloji, malzeme bilimi. Sonuç olarak, nanobilim doğası gereği disiplinler arasıdır ve bu nedenle gelecekteki mesleki faaliyetinizin herhangi bir alanında bu bilimi anlamanın gerekli olacağını varsaymak oldukça mantıklıdır.

Moskova'da 531 No'lu okulda ve Saratov Bölgesi Engels'te 33 No'lu okulda yürüttüğümüzde, bu seminerin etkinliğine kendi deneyimlerimizden ikna olmuştuk.