Технология. 8 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман
§ 2. Лазерные технологии и нанотехнологии
Что вы знаете о нанотехнологиях? Как нанотехнологии могут влиять на качество жизни?
Лазерные технологии — процессы обработки, изготовления, изменения состояния свойств и формы материалов, осуществляемые посредством лазерного излучения. В настоящее время лазерная технология стала одной из приоритетных технологий в обработке материалов, в связи и информационных технологиях, в оптоэлектронике, в биологии и медицине, а также в измерениях расстояний, навигации, научных исследованиях, в сфере культуры и развлечений.
Активное внедрение лазерной технологии во все сферы современного общества показывает общий уровень технологического развития страны.
Основными областями применения лазеров в мире являются:
• телекоммуникации (системы связи), оптическая память и обработка информации (67% мирового рынка);
• обработка материалов (25%);
• медицина (8%).
При обработке различных конструкционных материалов: ткани, бумаги, картона, древесины, металлов, пластических материалов — ручными или механическими способами большое количество материалов идёт в отходы. Например, от 10 до 20% отходов металлолома, металлической стружки и пыли получают при металлообработке деталей на металлорежущих станках. Это проблема больших материальных и финансовых потерь, утилизации отходов, соблюдения экологических мер безопасности.
Высокий уровень развития лазерной обработки материалов: резка, сварка, закалка, сверление отверстий, гравировка, упрочнение поверхностей и другие технологические операции — позволит избежать этих проблем.
Сегодня лазерная резка металла применяется при производстве металлических изделий на крупных промышленных предприятиях и в мелкосерийном производстве. C помощью лазера можно вырезать из любого материала детали сложнейших форм, причём с точностью до сотых долей миллиметра. Лазерная резка металла (рис. 1.4) характеризуется максимальной скоростью производственного процесса, высокой точностью, экономией ресурсов и практически безотходностью материалов.
Лазерная гравировка и резка на коже и кожзаменителях — современная технология нанесения изображения на поверхности изделий из этих материалов, основанная на удалении части материала (рис. 1.5).
Например, гравировку можно выполнить на изделиях из кожи — чехлах для очков, записных книжках, обложках для книг, ремнях (рис. 1.6), элементах одежды.
Современные лазерные технологии, применяемые при обработке различных конструкционных материалов, имеют ряд преимуществ перед традиционными способами обработки. Отметим их.
1. Лазерные технологии позволяют увеличить срок службы деталей в 3—10 раз благодаря упрочнению поверхностного слоя деталей.
2. Высокая концентрация энергии луча лазера позволяет производить обработку только поверхности малого участка, без нагрева остального объёма материала, при малом времени воздействия и с большими скоростями.
3. Отсутствие механических воздействий на обрабатываемый образец.
4. Возможность обработки на воздухе без вредных отходов, что повышает экологическую безопасность предприятия.
5. Лёгкость автоматизации процессов и высокая производительность.
6. Расширение видов обрабатываемых материалов — керамики, минералов, горных пород, неметаллических материалов, которые не поддаются резанию каким-либо другим способом.
7. Прочность швов при лазерной сварке в несколько раз выше, чем при использовании электросварки, что очень важно для многих отраслей промышленности, например атомной энергетики.
8. Повышение качества обработки материалов.
Технологический прогресс во всём мире направлен в сторону разработки машин, устройств, технических систем размером с молекулу. Разработкой, созданием и управлением такими устройствами занимается нанотехнология.
Нанотехнология — совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, функционирование которых определяется наноструктурой — упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров (1 нм = 10-9 м; атомы, молекулы).
Этот термин был предложен в 1974 г. японским физиком Норио Taнигучи. Так он назвал производство изделий размером в несколько нанометров.
Нанотехнологии успешно развиваются во многих странах мира, в том числе в России: в промышленности, исследованиях космоса, энергетике, сельском хозяйстве, строительстве, медицине.
В настоящее время наноматериалы используются для изготовления:
• нанопокрытий металлов, резко увеличивающих их твёрдость;
• упрочнённых наночастицами полимеров в автомобилях;
• нелиняющих красителей для текстильной промышленности;
• солнечных батарей, топливных элементов, электрических аккумуляторов с увеличенным сроком службы, нанофильтров;
• лекарственных препаратов, биосовместимой ткани для трансплантации;
• материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды.
Полезная информация
• Инженеры российского холдинга «Швабе» АО «Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова» разработали технологии, обеспечивающие высококачественную очистку и надёжную защиту памятников архитектуры от различных загрязнений и неблагоприятных погодных условий. Защитный слой сохраняет свои свойства в температурном диапазоне от —60 до +250 °C. Технология включает в себя обработку загрязнённой поверхности лазерным излучением и последующее нанесение инновационного гидрофобного покрытия. От стандартных способов (пескоструйная очистка, химические вещества) новую технологию отличает отсутствие вредного воздействия на обрабатываемую поверхность. Прибор для лазерной очистки имеет компактные размеры, бесшумен в работе, не требует каких-либо расходных материалов и позволяет очищать загрязнённую поверхность со скоростью IO M2 в час.
• Учёные из Томского политехнического университета разработали медицинский препарат на основе наночастиц серебра, который обладает универсальным действием на вирусы, бактерии и грибки. Его можно применять в качестве вспомогательного средства при лечении гриппа и ОРВИ.
• В области современных технологий востребованы специалисты следующих профессий: инженер по лазерной технике и лазерным технологиям, нанотехнолог.
Основные понятия и термины:
лазер, лазерные технологии, лазерная гравировка, нанометр, нанотехнологии, нанообъекты, наноматериалы.
Вопросы и задания:
1. Какие преимущества имеет лазерная обработка конструкционных материалов перед традиционными видами обработки?
2. Что такое нанотехнология?
3. Почему при использовании нанотехнологий могут исчезнуть отходы?
Задание
1. Используя информацию из Интернета, личные наблюдения и ассоциации, найдите примеры использования лазеров при обработке древесины и металлов, при обработке ткани.
2. Запишите примеры в рабочей тетради.
Задание
1. Используя информацию из Интернета, личные наблюдения и ассоциации, найдите примеры применения нанопродуктов в медицине.
Приведите примеры применения нанопродуктов в сельском хозяйстве.
2. Запишите примеры в рабочей тетради.
