Номер 7, страница 98, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 6. Характеристики электрических цепей. Параграф 69. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 7, страница 98.

Условие.

• Нанотехнологии и электричество.

Решение.

Нанотехнологии — это область науки и техники, занимающаяся созданием и использованием материалов, устройств и систем, структура которых определяется на нанометровом уровне (от 1 до 100 нанометров). На этом масштабе вещество приобретает уникальные физические, химические и биологические свойства, которые коренным образом отличаются от свойств тех же материалов в макроскопическом состоянии. Взаимосвязь нанотехнологий и электричества является одной из самых перспективных и быстроразвивающихся областей, открывающей путь к революционным изменениям в электронике, энергетике и многих других сферах.

Улучшение электрических свойств материалов

Одним из ключевых направлений является создание новых материалов с превосходными электрическими характеристиками. Классические проводники, такие как медь и алюминий, имеют свои ограничения. Наноматериалы предлагают решения, которые могут их превзойти.

• Углеродные нанотрубки (УНТ) и графен: Эти аллотропные модификации углерода обладают исключительно высокой электропроводностью, превышающей проводимость меди, при значительно меньшей плотности. Они используются для создания легких и прочных токопроводящих композитов, прозрачных электродов для сенсорных экранов и солнечных батарей, а также для межсоединений в интегральных схемах нового поколения.
• Нанопровода: Металлические нанопровода (например, из серебра) могут формировать прозрачные и гибкие проводящие пленки, которые являются альтернативой хрупкому и дорогому оксиду индия-олова (ITO), используемому в современных дисплеях.
• Квантовые точки: Это полупроводниковые нанокристаллы, чьи электронные и оптические свойства зависят от их размера. Эта особенность позволяет точно настраивать их электрические характеристики для конкретных применений, например, в светодиодах или фотоэлементах.

Ответ: Нанотехнологии позволяют создавать материалы (углеродные нанотрубки, графен, нанопровода) с уникальными электрическими свойствами, такими как сверхвысокая проводимость, прозрачность и гибкость, что открывает новые возможности для электроники и энергетики.

Производство и хранение энергии

Нанотехнологии играют решающую роль в развитии более эффективных и устойчивых источников энергии и систем ее хранения.

• Солнечные батареи (фотовольтаика): Наноструктурирование поверхности кремниевых фотоэлементов позволяет уменьшить отражение света и увеличить его поглощение, повышая КПД. Использование квантовых точек в солнечных элементах позволяет преобразовывать более широкий спектр солнечного света в электричество.
• Аккумуляторы: Применение наноматериалов в электродах литий-ионных аккумуляторов значительно увеличивает их эффективность. Например, наноструктурированный кремний в качестве анода может удерживать гораздо больше ионов лития, чем графит, что приводит к увеличению емкости батареи. Покрытия из графена увеличивают площадь поверхности электродов, что ускоряет процессы заряда и разряда и продлевает срок службы аккумулятора.
• Суперконденсаторы: Наноматериалы с огромной удельной площадью поверхности (например, активированный уголь или графен) являются идеальной основой для электродов суперконденсаторов. Это позволяет им накапливать значительно больше энергии и отдавать ее с очень высокой мощностью.
• Термоэлектрические генераторы: Наноструктурированные материалы могут эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую. За счет создания наноразмерных барьеров в материале удается снизить его теплопроводность, не затрагивая при этом электропроводность, что является ключом к высокой эффективности термоэлектрического преобразования.

Ответ: С помощью нанотехнологий создаются более эффективные солнечные батареи, аккумуляторы и суперконденсаторы с повышенной емкостью и скоростью зарядки, а также разрабатываются новые способы генерации энергии, например, из бросового тепла.

Наноэлектроника и вычислительная техника

Миниатюризация является движущей силой развития электроники. Нанотехнологии позволяют продолжать действие закона Мура, создавая все более мелкие, быстрые и энергоэффективные компоненты.

• Транзисторы: Современные процессоры производятся по технологическим нормам в несколько нанометров. Будущее микроэлектроники связано с переходом от кремния к новым материалам, таким как углеродные нанотрубки или графен, которые позволят создавать транзисторы еще меньшего размера и с более высоким быстродействием.
• Память: Разрабатываются новые типы энергонезависимой памяти (например, ReRAM), в которых для хранения бита информации используется изменение электрического сопротивления наноразмерной ячейки материала.
• Дисплеи: Технология QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode) использует квантовые точки для создания изображений с непревзойденной яркостью и чистотой цвета. Каждая точка в зависимости от размера излучает свет строго определенной длины волны, что позволяет формировать очень широкий цветовой охват.

Ответ: Нанотехнологии являются основой современной микроэлектроники, позволяя создавать сверхмалые транзисторы, новые виды памяти и яркие, энергоэффективные дисплеи на квантовых точках (QLED).

Сенсоры и освещение

Высокая чувствительность наноматериалов к внешним воздействиям делает их идеальными для создания нового поколения сенсоров.

• Наносенсоры: Датчики на основе нанотрубок или нанопроводов могут детектировать присутствие отдельных молекул химических веществ по изменению их электрической проводимости. Это находит применение в медицине, экологии и системах безопасности.
• Светодиоды (LED): Использование наночастиц (люминофоров) в светодиодах позволяет повысить их эффективность и улучшить качество света, делая его более близким к естественному солнечному спектру.

Ответ: Нанотехнологии позволяют создавать сверхчувствительные электрические сенсоры для различных применений и повышать эффективность и качество светодиодного освещения.