Познаём наномир: простые эксперименты

ПОЗНАЁМ 
НАНОМИР

ПРОСТЫЕ
ЭКСПЕРИМЕНТЫ

В. А. Озерянский 
М. Е. Клецкий 
О. Н. Буров

3-е издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 501
ББК 20я721
О-46

Озерянский В. А.
О-46
Познаём наномир: простые эксперименты : учебное
пособие
/
В. А. Озерянский,
М. Е. Клецкий,
О. Н. Буров. — 3-е изд., электрон. — М. : Лаборатория
знаний,
2020. — 161 с. — Систем.
требования:
Adobe
Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-770-7
В
учебном
пособии,
подготовленном
учеными
Южного
федерального университета, содержится краткая история развития нанотехнологий и 14 оригинальных проектных работ,
иллюстрирующих важнейшие понятия нанотехнологии.
Для
учащихся
8–11
классов
и
учителей,
студентов
и преподавателей, а также для всех, кто интересуется или
изучает нанотехнологии.
УДК 501
ББК 20я721

Деривативное издание на основе печатного аналога: Познаём
наномир: простые эксперименты : учебное пособие / В. А. Озерянский, М. Е. Клецкий, О. Н. Буров. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 142 с. : ил., [16] с. цв. вкл. —
ISBN 978-5-9963-1108-8.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-770-7
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Что будет определять развитие цивилизации в XXI веке и 
каким должно быть образование, чтобы обеспечить людей необходимыми знаниями? Совершенно очевидно, что сегодня к лидирующим, инновационным областям развития относится наноиндустрия, предсказанная в середине прошлого века и аккумулирующая в развитых странах всё большие интеллектуальные и 
материальные усилия. О нанотехнологиях пишут на всех языках 
мира — всерьёз и популярно, пишут даже об их очаровании (наверное, скорее — об их привлекательности для общества)!
Потому понятно желание многих рассказать об этой области 
знаний, объединяющей физику, химию, биологию и другие науки, 
как можно раньше. В Сингапуре с помощью конструктора Lego 
рассказывают о нанотехнологиях даже дошкольникам! 
Существуют школьные программы за рубежом и в России, затрагивающие достижения нанонауки, но, как правило, это лекции, 
которые читают преподаватели старшеклассникам. Правильно написал о таких лекциях один из пользователей Интернета: «Это не 
кружки, это курсы лекций. На кружке что-то своими руками надо 
делать. Детям это интересно. А просто слушать — я думаю, им 
скоро станет скучно, и они разбегутся».
Именно по этой причине мы предлагаем не просто практикум 
по нанотехнологии для начинающих, а сборник творческих проектов, которыми сможет заняться, надеемся, с увлечением, каждый 
из вас.
В основе книги простая идея: при помощи экспериментов дать 
чёткое представление о том, как получают и как исследуют нанообъекты и какие удивительные свойства они проявляют. Другими 
словами, в начале изучения этой новой для вас науки выполните 
эксперименты, позволяющие разобраться «на пальцах» в базовых 
идеях нанотехнологии, и только потом беритесь за серьёзные научные исследования. 
Примерно так же поступила замечательный американский педагог Дженис Ванклив в книге «Эксперименты по астрономии»*. 
Автор предложила 101 простой эксперимент, позволяющий каждому освоить основные понятия мира противоположных нашей 

*
Ванклив Дж. Эксперименты по астрономии — М.: АСТ, Астрель, 
2009 г. — (Наука в удовольствие). — 240 с.

Предисловие

книге масштабов — гигантских расстояний, временных интервалов и масс, и тоже в домашней или школьной лаборатории.
Тематику проектных работ по нанотехнологиям для начинающих подсказал нам курс лекций, который читает академик РАН 
В. И. Минкин в Южном федеральном университете. Не обошлось и 
без личных пристрастий авторов, чья многолетняя работа связана 
с преподаванием естественнонаучных дисциплин и неослабевающим интересом к окружающему миру.
Часто в проектах мы предлагаем несколько вариантов исполнения, чтобы вы смогли выбрать наиболее интересный и доступный. И ещё: выполняя даже простые эксперименты, непременно 
соблюдайте правила техники безопасности! Указания по технике 
безопасности приведены в разделе «Правила техники безопасности 
при проведении химического эксперимента», а также в каждом 
проекте указаны те правила, на которые следует обратить внимание при проведении именно этой работы.
Конечно, увидеть в специальном микроскопе нанообъекты в 
школе (не в «Нанотраке» — сложнейшей передвижной обучающей нанолаборатории) остаётся для большинства мечтой, а вот 
посмотреть в статике или даже подвигать на экране компьютера — это вполне осуществимо. Именно поэтому мы подготовили 
электронное приложение, где представлены захватывающие воображение нанообъекты. Найти это приложение можно по адресу 
http://nano.dcho.ru.

Полезной эта книга будет и для студентов естественнонаучных 
факультетов университетов, впервые знакомящихся с нанотехнологией. Следуя самой логике развития нанотехнологии, мы при 
этом не стали разделять проекты по традиционному принципу 
(для химиков, физиков, биологов и т. д.). В пределах каждой научной специализации читатель сможет найти для себя полезное.
Гуманитарии, которые хотят прикоснуться к таинственной 
для себя области знаний (а таких сегодня становится всё больше и 
больше), смогут найти немало доступных экспериментов для «нанонауки на кухне». Те читатели, которые увлекаются или профессионально занимаются искусством, смогут почерпнуть идеи для 
популярного Art&Science, потому что большинство нанообъектов 
по-настоящему высокохудожественны (Общество исследования материалов (Materials Research Society), начиная с 2005 г., проводит 
конкурс «Наука как искусство»). 
На обложке книги «Эксперименты по астрономии» помещены 
слова, точно передающие главную мысль Дженис Ванклив: «Захватывающие проекты и мероприятия для школы и просто в удовольствие». Именно в таком же ключе старались работать и мы. 
Ну а насколько захватывающей получилась работа, судить вам.

Предисловие 
5

Предложения, замечания и ответы на поставленные в каждой работе вопросы вы можете направлять по электронным адресам vv_ozer2@sfedu.ru Валерию Анатольевичу Озерянскому, 
alll3@yandex.ru Михаилу Ефимовичу Клецкому или на почту 
Естественнонаучного музея Южного федерального университета 
(info@museion.ru), давно и плодотворно сотрудничающего с издательством «БИНОМ. Лаборатория знаний».
Отметим 
также 
опубликованные 
на 
сайте 
http://www.
nanometer.ru (Библиотека: методические матеориалы для учителей: каталог проектных работ) нанотехнологические проекты, 
правда, рассчитанные не всегда на уровень школьных возможностей.
Также на сайте методической службы издательства «БИНОМ. 
Лаборатория знаний» (metodist.Lbz.ru) организован лекторий 
В. А. Озерянского (в меню Лекторий), в котором авторы размещают дополнительные материалы и отвечают на вопросы учителей, 
учащихся и родителей.

Успехов и новых открытий в наномире!
Авторы

ИСТОРИЯ  ДОСТИЖЕНИЙ

Наномир населён мельчайшими объектами, размер которых 
хотя бы в одном из измерений не превышает примерно 100 нанометров. Один нанометр (нм) — это одна миллиардная часть метра, 
или 1 · 10–9 м. Слово «нанометр» произошло от греческих слов 
«нанос» — карлик и «метро» — мера. В одном нанометре помещается всего от трёх до шести атомов.
Любые целенаправленные преобразования вещества на нанометровом уровне составляют фундамент нанотехнологий (термин 
впервые использовал в 1974 г. японский учёный Норио Танигучи). 
Материалы с заранее заданными составами, размерами и структурой, которые получают с использованием нанотехнологий и свойства которых существенно зависят от входящих в их состав нанообъектов, называются наноматериалами.

Рис. 1. Шкала объектов разного 
размера: а — протуберанец длиной примерно 109 м над поверхностью Солнца; б — отдыхающий 
человек; именно в такой шкале 
(100 м = 1 м) лучше всего смотреть 
на человека; в — зверёк, сложенный из крошечных углеродных нановолокон диаметром всего 75 нанометров (1 нм = 10–9 м)

История достижений 
7

Изучает устройство наномира так называемая нанонаука — 
междисциплинарная область знаний, объединяющая физику, химию, биологию, медицину, материаловедение, электронную и компьютерную технику. Таким образом, нанонаука — это совокупность всех знаний о свойствах вещества на нанометровом уровне. 
Выделяют также наноинженерию, занимающуюся поиском эффективных методов использования наноматериалов. Именно нанонаука, наряду с информатикой и молекулярной биологией, является 
важнейшим направлением развития науки и технологии XXI в. 
Организаторы российской научной конференции в 2007 г. очень 
точно назвали её «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии».
В этом же 2007 г. норвежским филантропом Фредом Кавли 
была учреждена премия в 1 миллион долларов за выдающиеся достижения в астрофизике, нанотехнологии и неврологии. Премия 
Кавли, дополняющая Нобелевскую, вручается один раз в два года, 
начиная с 2008 г. Учредитель объяснил свой выбор так: «Я решил 
поддержать три области науки: одна занимается самым большим, 
другая — самым маленьким, третья — самым сложным» (рис. 1).
Появление нанонауки невозможно было без понимания того, 
что физические характеристики объекта зависят от его размеров 
и формы. Часто эту зависимость называют размерным эффектом. 
Впервые на неё обратил внимание Галилео Галилей. В 1638 г. он 
опубликовал свою последнюю книгу «Беседы и математические 
доказательства двух новых наук», в которой, рассуждая о прочности костей и строительных балок, писал так: «Если вам требуются 
кости для более крупного животного, которое, скажем, в два раза 
выше, толще и длиннее нормального, то вес этого животного увеличится в восемь раз, и, следовательно, вам нужны кости, которые выдерживали бы восьмикратную нагрузку. Но прочность кости зависит от размеров её поперечного сечения, а поэтому если вы 
увеличите все кости по сравнению с прежним в два раза, то их поперечное сечение увеличится лишь в четыре раза, и, следовательно, они смогут выдерживать лишь четырёхкратную нагрузку…»*.
Спустя столетия оказалось, что размерные эффекты, подмеченные Галилеем, особенно важны именно для наночастиц и что, отправляясь в путешествие в наномир, надо быть готовым увидеть 
совершенно иные эффекты (их называют квантово-механическими), несвойственные миру больших тел.

*
Цитата из книги Ричард Фейнман. Характер физических законов. — 
М.: НЦ ЭНАС, 2008. —256 с.

Познаём наномир: простые эксперименты

Вопросы для размышлений

 1. В истории Кинг-Конга допущена принципиальная ошибка. Какая?
 2. Почему чемпионами в фигурном катании на коньках и гимнастике обычно становятся невысокие люди?

Впервые получение наноразмерных объектов, тогда неосознанное, случайное, люди предприняли много лет назад, когда в Древнем Египте стали окрашивать волосы в чёрный цвет, научились 
выплавлять дамасскую сталь и получать цветные стёкла, успокаивать штормящее море вылитым на него жиром, получать под воздействием света изображение на фотоплёнке и фотобумаге.
Наиболее выдающиеся примеры использования наноразмерных частиц в древности — кубок Ликурга (см. цветную вклейку рис. Ц-1), хранящийся в Британском музее, и средневековые 
храмовые витражи. В стекле кубка (так называемой диатреты) — 
мельчайшие частицы золота и серебра размером не более 100 нм, 
использованные античными мастерами в соотношении 3 : 7. Если 

Галилео Галилей (1564–1642)

Итальянский физик, механик, астроном, философ, писатель и математик, оказавший значительное влияние на науку своего времени. 
Основные достижения Галилея: 
1) изобретение гидростатических весов, которые нашли применение при взвешивании драгоценных металлов и их сплавов; 
2) экспериментальное и теоретическое установление основных законов механики; 
3) создание своего варианта телескопа; 
4) открытие гор на Луне, четырёх спутников 
Юпитера, звёздного состава Млечного Пути,  пятен на Солнце, фазы у 
Венеры; 
5) формулировка идеи конечности скорости света и проведение экспериментов по её определению. 
Галилей развил главные положения гелиоцентрической теории Коперника. 12 апреля 1633 г. он был арестован и предстал перед инквизицией. 
Суд вынес осуждающий приговор, и Галилей отрёкся от своего учения. 
Известное предание о вырвавшейся у Галилея после отречения фразе 
«а всё-таки она вертится» недостоверно. В реальности Галилей был измучен борьбой и желал только спокойствия.

\

История достижений 
9

эту зеленоватую чашу (см. цветную вклейку рис. Ц-1, а) осветить 
изнутри, она становится красной (см. цветную вклейку рис. Ц-1, б).
Аналогично получали и великолепное витражное стекло (см. 
цветную вклейку рис. Ц-2). Так же, как и в кубке Ликурга, его делали цветным наночастицы металлов. Недавно учёные доказали: 
витражное стекло выполняло в древности (и даже сейчас!) также 
функции очистителя среды от грязи благодаря тому, что на солнце 
мельчайшие частицы золота и других металлов превращаются в 
катализатор для очистки!
Осмысление наномира началось в 1857 г., когда гениальный 
Майкл Фарадей сформулировал вопрос: что происходит со свойствами обычного металла (например, золота) при его сильном измельчении и можно ли добиться такого измельчения, при котором 
металл вообще потерял бы свои известные свойства?
Фарадею удалось получить такие частицы золота, которые 
ни по внешнему виду, ни по своим свойствам уже ничем не напоминали металл (они, как выяснилось позже, имели размер от 
нескольких десятков до тысяч ангстрем (10–10 м) и содержали от 
нескольких тысяч до миллиона атомов металла).
Годом позже Юлиус Плюккер сумел получить тонкие металлические плёнки из наночастиц при испарении металлического катода в разреженных газах, а в 1880 г. Томас Эдисон получил их 
же, но уже в вакууме. Много лет спустя, в середине XX в., были 
случайно открыты такие необычные нанообъекты, как нитевидные кристаллы, и изучены их свойства.

Майкл Фарадей (1791–1867)

Английский физик и химик, основоположник 
учения об электромагнитном поле. Обнаружил 
химическое  действие  электрического  тока, 
взаимосвязь между электричеством, магнетизмом и светом. Открыл электромагнитную 
индукцию, установил законы электролиза, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, высказал идею существования электромагнитных 
волн.
Историк Илья Бузукашвили написал: «Его 
называли властителем молний и королем физиков. А он всю жизнь оставался скромным, читал лекции для детей и 
верил в великие тайны Природы и Бога. Майкл Фарадей, искатель невидимых превращений».

\

Познаём наномир: простые эксперименты

Юлиус Плюккер (1801–1868) 

Немецкий физик и математик. Крупнейшие 
достижения в области аналитической геометрии, спектральных свойств атомов и молекул 
азота, водорода и других веществ.

Томас Алва Эдисон (1847–1931)
Американский физик. Не получил систематического образования, однако стал главным изобретателем своего поколения. 
Изобрёл угольный передатчик для телефона и фонограф. Используя угольную нить, 
создал первый коммерчески рентабельный 
вариант электрической лампочки. Построил 
первую в мире постоянно действующую электростанцию для освещения. Создал первую 
экспериментальную 
модель 
киноаппарата. 
Построил первые электровозы, положил начало электронике.

Петер Адольф Тиссен (1899–1990)

Ученик лауреата Нобелевской премии по химии Рихарда Зигмонди. Автор монографии 
«Критические исследования коллоидного золота» (1923 г.). До 1945 г. профессор Берлинского университета и директор Института физической химии кайзера Вильгельма. В 1940–
1950-е гг. работал в СССР в атомной программе 
по созданию первой советской атомной бомбы. 
С 1966 г. иностранный член АН СССР. Член 
АН ГДР. Лауреат многих наград СССР и ГДР. 
В руководимом им институте начинала свою 
научную карьеру нынешний канцлер ФРГ физико-химик Ангела Меркель.

\