Любовь Оболенская — учитель химии московской школы № 2065, кандидат химических наук и добровольный пожарный. Она участвовала в ликвидации очагов торфяных пожаров и в спасении Чёрного моря от мазута. Педагог считает, что интерес к химии лучше всего прививать школьникам через реальные дела и проекты, связанные с нанотехнологиями. Под ее руководством дети создали новый химический состав для пожаротушения, сорбенты и фотокатализаторы для очистки воды, новое средство от ожогов борщевиком (опробовано и очень эффективно), негорючий полиэтилен, дрон с сенсорным «носом», который находит тлеющие торфяники, безопасный состав для регенеративного патрона для пожарных, огнезащитную пропитку для древесины и негорючую масляную краску… О некоторых из этих работ педагог рассказывает в интервью Маргарите Тимофеевой.
На уровне вузовской науки
Начать рассказ стоит с самой школы, расположенной в городе Московском (сейчас это часть Москвы), возникшем еще в советское время вокруг крупного подмосковного агрокомплекса. Здесь не просто кабинет химии — целый IT-полигон, гигантская территория-лаборатория, оснащенная современной техникой, где есть 3D-принтеры, осциллограф, мультиметр, сканирующий зондовый (атомно-силовой) микроскоп. И если чаще всего школьные проекты по химии делаются на выезде, когда педагог с группой мотивированных старшеклассников приезжает в вуз, в школе № 2065 эту работу можно произвести на месте.
«Я создаю с учениками проекты на уровне вузовской науки, — считает Любовь Оболенская. — Показываю ребятам, как пользоваться современным оборудованием, учу приемам синтеза, объясняю химизм процессов и основы физической химии, которые нужны для понимания нанотехнологий, а также советую (и всячески в этом помогаю) создавать практикоориентированные проекты, чтобы ученики сразу увидели результат, почувствовали, что они, пусть немного, но улучшили окружающий мир».
Например, один проект был посвящен созданию геля с наносеребром, который заживляет ожоги от борщевика и обладает антибактериальными и фотопротекторными свойствами. В другой работе школьница разработала состав, который не позволяет гореть масляной краске. «Тема актуальная, так как такая краска пожароопасна и токсична при высоких температурах, — объясняет педагог. — В одном из вариантов эксперимента мы добавили в краску фреон, которым тушат пожары на подводных лодках, и ребята увидели, как пары модифицированной краски тушат спичку». И на ученических конференциях проекты, польза которых очевидна, всегда имеют успех.
Как замедлить горение
Источником идей для этих проектов стало эковолонтерство. «Для меня оно началось с участия в добровольной помощи пожарным, — рассказывает Любовь Оболенская. — Они тушат торфяники в Центральной России, чаще всего — во Владимирской области. Каждый год весной и летом ситуация становится сложной — люди жгут старую траву, разводят костры в лесах». Помогая в борьбе с огнем, она выяснила, что для более эффективной борьбы с ландшафтными пожарами применяются так называемые смачиватели, и решила вместе с учениками их улучшить. «Мы добавили к составу антипирены, точнее, наночастицы диоксида титана. Они придают жидкости консистенцию геля, который как бы покрывает поверхность деревьев и почвы и не дает огню распространяться, — поясняет учитель. — Но появилась новая проблема: наночастицы имеют свойство «склеиваться» и засорять шланг ранцевого огнетушителя». Под руководством Оболенской 11-классница школы провела исследование и нашла способ разбавления концентрата, содержащего TiO2, так, чтобы раствор долго не густел.
Рука об руку с лесными пожарами (к слову, 99,9% которых вызваны действиями человека) идут пожары техногенные. Их меньше, но они смертоноснее — из-за пластика, которого много в домах, выделяющего при горении смертельно опасные вещества. Педагог и ученики провели исследование — как сделать, чтобы в жилье чаще использовалось дерево, и защитить его от огня. «У нас было два пути: добавить синтезированный нами гель, замедляющий горение, в масляную краску или создать огнезащитную пропитку для дерева, — вспоминает Оболенская. — Второй вариант предложили две мои ученицы, что не может не радовать». Дальше встал вопрос — какого рода пропитку выбрать. У всех свои недостатки: водонерастворимые пропитки, созданные на основе органических растворителей, при хранении и транспортировке пожароопасны. А водорастворимые — вымываются из древесины водой и перестают работать. Школьники смогли преодолеть недостатки обоих типов: они синтезировали наноструктурированные гелеобразные соединения диоксида титана и диоксида кремния, не растворимые в воде. Этот гель за счет наноструктуры проникает в поры дерева, не горит и не вымывается водой.
К доске пойдет… компьютер
Когда в школьных лабораториях есть высокотехнологичное оборудование, это само по себе мотивирует. «У детей в голове наводится мостик между несовместимыми на их взгляд вещами: любимыми гаджетами, которыми на уроках пользоваться не разрешают, и образовательным процессом, ассоциирующимся со скучными формулами и опытами по смешиванию реагентов, — объясняет Любовь Оболенская. — С помощью научных приборов эти миры вдруг соединяются».
В школе № 2065 в этом году установили автоматизированный реактор, которым управляет компьютер. Поначалу ребята просто не могли связать в голове два этих устройства, им казалось, что всё происходит только на экране компьютера. Учитель предложила им поэкспериментировать, проверить, как изменятся характеристики получаемых наноматериалов, если варьировать скорость добавления раствора реагента, поглядеть, как при этом ведут себя другие параметры — температура, кислотность, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал… И только тогда они увидели взаимосвязь, поняли, что реакции идут на самом деле.
Под руководством Оболенской школьники освоили процесс получения различных объектов из наномира, обладающих полезными эффектами. Наносеребро используется как антисептик, наномагнетит — как катализатор для разложения загрязнителей в воде, наногидроксиапатит — как покрытие для штифтов зубных имплантов для усиления их совместимости с живыми тканями. А еще уже упомянутые выше наноразмерные гелеобразные диоксиды титана и кремния для противопожарной пропитки древесины и наноразмерный гидратированный диоксид титана с полифосфатом аммония — как добавку, которая придает негорючесть краске.
«Надо сказать, когда ребята осознали могущество лабораторной техники и то, что их работа имеет практическое значение, они сильно воодушевились, — вспоминает Любовь Оболенская. — Даже хвастались другим учителям, что научились работать на «А-реакторе»1, и отвечали на вопросы о нём на конференции».
Титан, пот и наносеребро
Впрочем, поддерживать интерес к химии помогают не только высокотехнологичные приборы. Некоторые устройства дети создают сами. С помощью роботизированных наборов конструктора Lego Mindstorms они собрали мешалку для синтеза наноразмерных шариков магнетита, покрытых оболочкой из диоксида титана. Эти частицы помещались в поролоновые «плотики» для очистки поверхности воды от загрязнения.
А в ходе доклада на одной из конференций возник вопрос: подходят ли детали конструктора для этих целей, не разрушаются ли? Так появилась идея еще для одного проекта: исследования устойчивости пластмасс к различным соединениям. Выяснилось, что при синтезе наносеребра довольно сильно разрушается деталь, которая используется в качестве лопасти мешалки. А вот при синтезе из сульфата титанила-аммония наноразмерного диоксида титана (анатаза) она практически не повреждается. В следующих экспериментах решили нанести на лопасть слой анатаза и проверить, как она будет себя вести при синтезе наносеребра или просто при трении рукой. «В качестве модели руки использовали кусок натуральной кожи, смоченный точным количеством пота, для чего мне пришлось приклеить этот кусок кожи к виску и присесть 80 раз! — признается учитель. — Образец был взвешен до и после, так мы узнали точную массу пота». Трение осуществляли под контролем еще одного прибора из комплектации предпрофессиональных классов — цифрового датчика силы кистевого сжатия (динамометра).
Сканирование зондовым микроскопом показало, что деталь «Лего» с нанесенным на поверхность слоем анатаза при синтезе наносеребра практически не повредилась. А после того, как по ней 40 раз провели кожаной моделью, повреждения были незначительные.
Маленькие секреты большой науки
Свой опыт педагог подытожила в курсах повышения квалификации «Основы нанохимического эксперимента в проектной и исследовательской деятельности учащихся», которые проводятся на базе МГПУ. Их может пройти любой учитель химии на бюджетной основе2.
В чём же ее секрет, способ увлечь школьников наукой? «Пожалуй, главный «лайфхаком», который помогает открыть детям удивительный мир химической науки так, чтобы он перестал быть для них забором из зубодробительных формул и неинтересных примеров, а стал настоящим приключением, можно считать нанохимию», — отвечает Оболенская.
Правда, в школах пока этот подход не очень распространен. Какие же особенности наночастиц мешают работать с ними? «Ученые давно синтезируют разные вещества, — рассказывает педагог. — Ведь ни один объект не может образоваться сразу крупным, человек же не рождается двухметровым! Так и любое вещество сначала бывает наноразмерным, а чтобы оно таким и осталось, его нужно стабилизировать. У маленькой частицы заметная доля атомов оказывается на поверхности, гранича с химически чужеродной средой — с водой или воздухом. В этих местах соприкосновения с «чуждым» накапливаются излишки энергии. Система стремится ее минимизировать — частицы стараются слипнуться, объединиться, чтобы контакта было как можно меньше».
Детям она объясняет это так: у каждого атома есть «лапы» (валентности), бывает, их четыре, а бывает — целых восемь, и у тех, кто на поверхности, половина «лап» смотрит наружу и их некуда деть. Это и есть нескомпенсированная валентность. Но страдают такие атомы недолго. Наночастиц очень много — на 10 граммов реагента их миллиарды миллиардов в небольшом пространстве, плюс они быстро двигаются, так что мимо нашей наночастицы непременно проплывает другая, «лапы» атомов с разных частиц встречаются и… тут уже начинают страдать нанотехнологи — вещество перестает быть наноразмерным!
Что же делают ученые? Они покрывают наночастицы биомолекулами длинных углеводов: мальтодекстрином, декстраном. Если представить каждую наночастицу в виде репейника, то биомолекулы можно сравнить с пакетиками, в которые упакован каждый репейник. Теперь они уже не могут сцепиться между собой!
Другой вариант — прицепить к каждой наночастице ионы одинакового заряда, например, цитрат — кислотный остаток (анион) лимонной кислоты. Теперь каждая наночастица заряжена одинаково, а значит, будет отталкиваться от другой.
Третий способ — применить поверхностно-активные вещества (ПАВ), такие как мыло, которое с помощью пены может «подружить» воду и воздух. Эти вещества — амфифилы — дружественны разным средам. У каждой молекулы ПАВ есть полярная головка и длинный неполярный хвост. Соответственно, если нужно стабилизировать полярные наночастицы в неполярном растворителе, то все ПАВы-«головастики» повернутся в одну сторону, а если наоборот, то в другую. Так снимается напряжение, которое толкало систему к тому, чтобы частицы укрупнялись.
Еще один метод стабилизации — сразу делать наночастицы не свободно бегающими, а закрепленными в матрице, как в ткани медицинской маски или в поролоновой губке, где каждая частица окажется в своем «гнезде» и не сможет из него выбраться.
* * *
«Наглядные и кинематографичные объяснения, подкрепленные ориентированными на практику проектами, созданными на современной аппаратуре, не оставляют детей равнодушными, — подводит итог Любовь Оболенская. — Так школьники становятся ближе к Большой науке».
1 Это сокращение от «Автоматизированный реактор» (фирма «Научные развлечения»). А вовсе не «Атомный»…
(1 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...