Тема 3 Проектирование материи

Тема 3 Проектирование материи посвящена проблеме разработки новых материалов. Изучение свойств материалов и разработка новых методов производства позволяет создавать материалы абсолютно нового типа, параметры которых индивидуально адаптированы в соответствии с целью цели их применения, а производство характеризуется максимальной энерго- и ресурсоэффективностью и экологичностью.

Управляемая самоорганизация

(МУ: Производство комплексных наноструктур)

Используя химические методы, ученые могут группировать простые молекулы в комплексные элементы, что является первым этапом развития наноэлектроники. Ключевым моментом производства новых материалов является технология выполнения работ в наномасштабе. Речь идет о принципе, который позволяет конструировать новые материалы на молекулярном уровне снизу вверх (bottom-up approach), а не получать их путем обработки более крупных «заготовок», сверху вниз (top-down approach). Методы, предусматриваемые в рамках подхода «сверху вниз», можно сравнить с высеканием статуи из монолитного камня или вытравливанием электронных схем слой за слоем на пластинках кремния. Технологию «снизу вверх» можно иллюстрировать на примере возведения здания из элементов конструктора «Lego» или формирования более крупных структур из молекул. Однако при этом не происходит последовательная установка отдельных элементов, имеет место использование феномена самоорганизации. Это как если бы элементы конструктора «Lego» собрались сами собой, например, в дом. Леонард Грилль из Института им. Фрица Хабера Общества им. Макса Планка разработал новый метод, основанный на том, что отщепление различных атомов от исходной молекулы происходит при различных температурах. Этот метод позволяет с помощью легко управляемой характеристики системы (температуры) определять, каким образом молекулярные элементы будут объединяться в новые структуры.

Форма определяет функцию

(МУ: Биоминерализация в пробирке)

Многие живые существа «встраивают» минералы в свой организм столь совершенно, что образуются структуры с поразительными свойствами. Так, например, офиура вида Ophiocoma wendtii обладает явной чувствительностью к свету, не имея при этом глаз в традиционном понимании. Ее тельце покрыто крошечными кристаллическими линзами из карбоната кальция, которые в совокупности образуют нечто вроде фасеточного глаза. Использовав новую технологию, ученые изготовили такие линзы в лабораторных условиях. Микролинзы применяют во многих областях, например, в электронике. Создание миниатюрных и точных линз позволяет уменьшить размер приборов в тех областях, где это необходимо. Это актуально, например, в области микрооптики, используемой в медицинских приборах, таких как эндоскопы, а также в области информационных технологий на базе световых потоков. Благодаря использованию методов химического синтеза производство таких линз стало более простым, эффективным и надежным.

Список тем для обсуждения графических схем:

2.8.1 1) Производство комплексных наноструктур

2.8.1 2) Всемогущий графен

2.8.2 Новые инструменты селективного синтеза

2.8.3 1) Биоминерализация в пробирке

2.8.3 2) Самовосстанавливающиеся нанопокрытия

2.8.3 3) Как поймать свет?

Модуль 03: Жизнь. От структурных элементов к системам

Модуль включает в себя 3 тематических области, причем темы структурированы относительно друг друга. В первой теме «Что объединяет элементы в систему» речь идет о структурных элементах жизни, методах их исследования, как из отдельных картинок складывается целостное впечатление и как эти структурные элементы взаимодействуют между собой. Материал изложен по принципу постепенного усложнения. Далее следует тема «Натуральное и искусственное», в которой обсуждается вопрос о моделировании и имитации биологических структур и функций. Эти темы располагаются на одной стороне модуля. На другой стороне освещается тема «Союзники или противники», в рамках которой речь идет о взаимодействии живых существ между собой и с их окружением. Основные вопросы этой темы: Когда началась жизнь? Как возникли различные виды? Почему существует такое многообразие видов, и не удивительно ли это? Почему мы должны сохранить многообразие видов? – На другой стороне – Какие формы сосуществования нам известны? Как виды адаптировались к условиям окружающей среды? Можем ли мы извлечь из этого выгоду, прежде всего в эпоху перемены климата? Как изменение климата влияет на процесс миграции видов?

Возможные варианты введения в модуль

Биологическая наука переживает переломный момент. Подобно тому, как в 20-м веке главным двигателем технологического прогресса была физика, так в веке 21-м начало новой эпохи в науке связывают с развитием биологического знания. Десятилетия исследований позволили накопить подробную информацию о сложных биологических системах, от мельчайших структурных элементах жизни до комплексных взаимодействий в рамках экосистем. Новые инструменты, инновационные технологии, а также междисциплинарный научный обмен позволили свести эти знания в единый обзор всех жизненных процессов. Такой абсолютно новый путь развития биологической науки делает возможной разработку решений общественных проблем на базе биологических ресурсов: чистая вода и достаточное количество питания в условиях роста численности населения, биологические энергоносители или новые медицинские решения.