Викторины

I. Спасательный круг для золотого кирпича (математика, НАЧИНАЮЩИЕ)

Аэрогели — очень лёгкие твёрдые материалы, пористость которых достигает 99%. Впервые аэрогель был получен в 1931 г. Стивеном Кистлером.

В воде плавает (не всплывает и не тонет) кубик аэрогеля плотностью 1.9 кг/м3 с привязанным к нему кубиком золота (плотность 19 300 кг/м3).

I.1. Найдите сотношение объёма кубика аэрогеля и кубика золота.

I.2. Найдите соотношение масс кубиков золота и аэрогеля.

II. Нанотрубочный лес (математика, НАЧИНАЮЩИЕ)

При методе получения нанотрубок «CVD super-growth» на подложке вырастает «лес», состоящий из нанотрубок различного диаметра. Средний диаметр нанотрубок при этом зависит, в частности, от толщины используемой плёнки катализатора (железо). На правом графике приведена зависимость среднего диаметра нанотрубки от толщины плёнки Fe, определённая экспериментально. Оказывается, что от среднего диаметра нанотрубок в «лесу» зависит процентное содержание в лесу нанотрубок разных типов — однослойных (SWNT, single-walled nanotubes), двуслойных (DWNT, double-walled nanotubes) и многослойных (MWNT, multi-walled nanotubes). Эта зависимость (тоже установленная экспериментально) приведена на диаграмме слева.

II.1. При какой толщине плёнок катализатора доля двуслойных нанотрубок наибольшая?

II.2. При какой толщине эта доля наименьшая?

II.3. При какой толщине плёнок катализатора более 3 / 4 полученных нанотрубок — однослойные?

III. Колбы и скляночки (математика, НАЧИНАЮЩИЕ)

У Васи есть несколько колб без делений: пустая колба объёмом 200 мл (колба 1), колба объёмом 300 мл с семипроцентным раствором квантовых точек (колба 2), полулитровая колба с восьмипроцентным раствором квантовых точек (колба 3), и ещё одна полулитровая колба с однопроцентным раствором (колба 4). Для проведения эксперимента Васе необходимо хотя бы по 100 мл трёхпроцентного и шестипроцентного растворов.

III. Как ему получить эти растворы? Укажите ниже правильную последовательность переливаний.

IV. Двуслойные нанотрубки (математика)

Двуслойная нанотрубка состоит из двух слоёв — однослойных нанотрубок, расположенных одна внутри другой. В этой задаче мы будем рассматривать только двуслойные нанотрубки, такие что хиральности их слоёв пропорциональны (то есть имеют вид (um, un) и (vm, vn) — целые числа, считайте, что m, n - неотрицательные числа).

IV. Ниже найдите правильный вариант для расстояния между слоями нанотрубки, если её слои имеют хиральности (7, 3) и (14, 6).

V. Гидрирование фуллеренов (математика)

С химической точки зрения, фуллерен C60, все атомы углерода в котором находятся в sp2 гибридизованном состоянии, можно рассматривать как ненасыщенный углеводород.

V. Рассчитайте, сколько связей С-С разрывается при гипотетическом полном гидрировании (без фрагментации углеродного скелета) углеводорода, содержащего A двойных связей и B циклов, с образованием предельного алкана CnH2n+2 и укажите это вариант ниже?

VI. Наноспираль (математика).

(кликните картинку один раз, чтобы увеличить!)

Впервые альфа-спираль была предсказана в 1951 году Лайнусом Полингом на основе моделирования структуры белка. По статистике, это один из наиболее часто встречающихся элементов вторичной структуры белка – примерно треть от всего количества аминокислот в природные белках находятся в альфа-спиралях. При таком способе пространственного расположения аминокислот атом кислорода CO-группы i-й аминокислоты и атом водорода аминогруппы (i+4)-й аминокислоты полипептидной цепи соединены между собой водородной связью (см. рис. вверху). Необходимо отметить, что группы, образующие водородную связь, практически параллельны оси спирали.

VI. Основываясь на параметрах пептидной связи и способе ее укладки, примерно рассчитайте длину полипептида, состоящего из 20-ти аминокислотных остатков аланина.

VII. Самый-самый (математика)

Углеродные каркасные структуры, подобные мотивам авангардной архитектуры, углеродные мячики – как только не называют эту аллотропную форму углерода, ставшую одним из традиционных символов нанотехнологий. Но все ли фуллерены нанообъекты?

VII. Назовите правильную формулу самого маленького фуллерена, выбрав из ниже перечисленного

VII. Какой размер для самого маленького фуллерена у Вас получился, дайте наиболее подходящий ответ из ниже перечисленных?

VIII. Магнитные наночастицы на кухне (химия, НАЧИНАЮЩИЕ)

Для получения магнитных наночастиц к 100 мл практически бесцветного 0,1М раствора вещества А, добавляют 100 мл 0,1M практически бесцветного раствора соли В и раствор вещества С, создающий среду с рН больше 13. При энергичном перемешивании полученного раствора на магнитной мешалке из него выделяется бурый осадок D, который со временем становится черным. Черный порошок E состоит из сферических наночастиц со средним диаметром 33 нм. Он растворим в соляной и азотной кислотах, притягивается магнитом. Порошок Е с диаметром частиц более 1 мкм можно получить выпариванием раствора вещества А и последующим его нагреванием до 900 градусов Цельсия. Вещество Е представляет собой рудный минерал.

VIII. Ниже укажите, какую комбинацию цветов, скорее всего, имеют вещества А и В, когда находятся в кристаллическом состоянии.

IX. У вас нет диоксида титана? Тогда мы идем к вам! (химия, НАЧИНАЮЩИЕ)

На сегодняшний день материалы на основе диоксида титана являются одними из самых востребованных на мировом рынке. Суммарное производство таких материалов составляет ~5 тыс. тонн/год. В частности, диоксид титана используется в качестве белого красителя E171 в пищевой промышленности.

IX. Как можно изменить цвет диоксида титана на желтый?

Конечно, большую часть производимого в мире диоксида титана с трудом можно отнести к наноматериалам. Однако в последние годы они постепенно отвоёвывают позиции у объемных материалов. Так, хорошо известно, что микроструктура наноматериалов в первую очередь определяется методом и условиями получения, а для наноматериалов на основе диоксида титана известно огромное число микроморфологий: шарообразная, сферическая, нанотрубки и т.д. Иногда учёным в рамках одного какого-то применения хочется сравнить, а как будут вести себя материалы, полученные при различных условиях и с использованием различных методик синтеза. Конечно же, наноматериалы на основе диоксида титана не являются исключением. Так, изучая поведение TiO2 в элементах для фотохимического расщепления воды, было показано, что метод нанесения тонкой плёнки диоксида титана на подложку существенно сказывается на эффективности работы такой солнечной батареи (см. рисунок - так называемую вольт-амперную характеристику). В первом случае ("nanoparticle", оранжевая кривая) тонкую плёнку получали методом осаждения наночастиц из суспензии (золя) на подложку, во втором – золь-гель методом ("sol - gel", фиолетовая кривая). При этом такая важная характеристика как ширина запрещённой зоны остаётся практически неизменной.

IX. С чем, скорее всего, может быть связано подобное существенное различие?

X. Золотые дреды (химия, НАЧИНАЮЩИЕ)

(просьба не пытаться повторить - ОПАСНО!)

Yea, I’m golden man now! – решил юный рэпер PJ. Для соответствия образу он решил радикально позолотить свои дреды. Все пять штук сразу. Промыв их ацетоном и затем водой (1), PJ опустил их в раствор боргидрида натрия в 0,1М растворе кальцинированной соды (2). Затем прополоскал их свежекипячённым дистиллятом (3) и обработал раствором коллоидного золота с цитратным стабилизатором (4). Полученный результат его не удовлетворил, и PJ решил нарастить золота побольше, для чего долго промывал волосы раствором NaAuCl4 с витамином С и содой (5). То, что получилось в итоге, согнул в нужную форму и поехал на тусовку.

X. Какое из веществ (компонентов), входящих в состав человеческих волос было изначально ответственно за успех всей операции?

XI. Инноватор (10 - 11 класс, химия и материалы, задача повышенной сложности)

Вашему вниманию предлагается первый российский нанокомикс "Инноватор", который описывает (указывает на) один важный класс материалов, связанных с потенциальным улучшением качества нашей жизни в уже недалеком будущем. Надеемся, что за подобной экзотической формой Вы увидите интересное содержание, для этого надо быть внимательным и любознательным (обязательно кликните один раз на картинку, чтобы увеличить фото и рассмотреть их в деталях!)

Решил однажды муж* один построить новый дом.
И нечто важное купил (1), но что - забыл потом.
Он нечто в чем - то растворял (2), достав и кислоту (3).
И шпатель синь раствору дал (4), "Калгон" же - желтизну.
Увидев это, обомлел и "Эврика!" вскричал.
Он понял - есть теперь задел, и сделал, как мечтал.

----
*Примечание: в смысле, домовитый мужчина, ученый муж...

XI. Какой именно дом хотел построить герой стиха, дайте ниже правильный вариант ответа.

XI. Что было куплено, дайте ниже правильный вариант ответа (картинка 1)?

XI. Из какого материала должен быть сделан шпатель, чтобы посинеть (картинка 4), выбирайте ниже один, самый правильный, ответ.

XI. Для изготовления чего такого уникального в "новом доме" может быть использовано купленное вещество (еще не продающегося в наших магазинах, но косвенно имеющего отношение к наноматериалам)?

XII. Липофильная броня (химия)

В раствор, содержащий высококипящий органический растворитель и 5 грамм олеиновой кислоты, добавляется 1,67 мл пентакарбонила железа, который при температуре 130 градусов С подвергается разложению. Полученный продукт окисляется определенным окислителем до оксида железа (III). При этом образуются сферические частицы диаметром 10 нм.

XIII. Рассчитайте, какая доля (в мол.%!) исходно добавленной олеиновой кислоты уйдет на то, чтобы покрыть все частицы оксида железа плотным монослоем (считать, что поверхность частиц гладкая, они получаются с количественным выходом, площадь «посадочной площадки» одной молекулы олеиновой кислоты 46*10-16 см2, молярную массу олеиновой кислоты подсчитайте сами, плотность пентакарбонила железа 1.4664 г/см3, плотность самого оксида железа (III) 4.86 г/см3)

XIII. ДНК - пушка (химия)

“Много нынче про золото говорят”, - решил юный химик Вася и решил исследовать свойства этого металла. Взяв фамильную золотую сковородку, Василий поскрёб её напильником и опилки растворил в царской водке. Полученный раствор Вася несколько раз упарил с дистиллированной водой для получения чистого вещества А. Обработав раствор избытком гидразина, Вася получил сферические золотые наночастицы диаметром 10 нм. При получении наночастиц выделялся газ. Объём раствора составил 5 мл при концентрации частиц 6,026*10-8 моль/л. Вася дополнительно стабилизировал наночастицы, обработав их меркаптоэтанолом. Далее он разделил раствор пополам и часть использовал для стрельбы из ДНК-пушки. У “дульного среза” скорость наночастиц составляет 20 м/с. Вторую половину раствора Вася израсходовал для печати наноконтактов на перспективном нанопроцессоре. Для этого он создал специальный полимер, покрыл им полированную кремниевую пластину диаметром 15 см и равномерно распределил остаток раствора на этой поверхности. После высыхания воды Вася получил несмываемый слой равномерно размещённых на поверхности наночастиц. Прокалив его в инертной атмосфере при 900 градусов С, он припаял золотые контакты. Плотность золота равна 19,32 г/см3.

XIII. Рассчитайте расстояние между наночастицами контактов, если наночастицы распределены абсолютно равномерно, найдите правильное значение из ниже перечисленных.

XIII. Определите кинетическую энергию летящих из ДНК-пушки наночастиц в Джоулях на 1 частицу.

XIV. Хлорирование (химия)

Среди первых реакций фуллеренов были реакции их галогенирования. До недавнего времени, однако, было описано только одно полихлорпроизводное фуллерена С60 (А), содержащее 22.8% хлора по массе.

XIV. Определите молекулярную формулу этого соединения.

Состав соединений такого типа обычно определяют с помощью метода масс-спектрометрии. Суть этого метода заключается в испарении заряженных частиц, образующихся при облучении вещества потоком высокоэнергетических электронов, в высоком вакууме. Если к стенкам вакуумированной камеры приложить разность потенциалов, положительно заряженные частицы движутся к катоду, а отрицательно заряженные – к аноду, причем скорость движения зависит от их массы, что позволяет определять отношение массы частицы m к ее заряду z (m/z). В некоторых методах масс-спектрометрии получают только молекулярные ионы (ионы, образующиеся при удалении из молекулы одного электрона), в других также детектируются ионы, образующиеся при распаде молекулярного иона.
В случае фторфуллеренов масс-спектры относительно просты, поскольку фтор в природе существует в виде единственного изотопа 19F, а углерод примерно на 99% состоит из изотопа 12С. Но если в анализируемое соединение входит элемент, присутствующий в природе в виде нескольких изотопов, то вместо одного пика получается несколько, причем их интенсивность определяется относительным содержанием каждого изотопа. Например, в продукте присоединения к фуллерену С60 одного эквивалента дибромкарбена :CBr2 (В) молекулярному иону будут соответствовать три пика в соотношении примерно 1:2:1.

XIV. Укажите, выбрав ниже правильный вариант, величины m/z для молекулярного иона В.

XV. По поводу пузырей... (биология, НАЧИНАЮЩИЕ)

Мы очень любим мыльные пузыри. Они такие большие, медленно плывут по воздуху, переливаются радужными красками! А теперь представьте, как биолог, мыльные пузыри "наоборот". То есть, что они плавают в воде, могут быть достаточно маленькими, играть большую роль в жизни нашего организма, да и радужных переливов на них не бывает.

XV. Ниже дайте самый правильный (самый естественный и вероятный) вариант ответа, зачем нужно ЭТО готовить?

XVI. Фармакопея (биология, НАЧИНАЮЩИЕ)

Вы создали новые лекарственные препараты: (1) мазь для наружного применения; (2) капсулы для перорального приема и (3) раствор для внутривенного введения. Препараты содержат (а) наночастицы серебра и (б) углеродные наношарики.

XVI. Предположите (укажите вариант ниже), какие клетки и ткани могут взаимодействовать и накапливать указанные наночастицы.

XVII. Шепот (биология, НАЧИНАЮЩИЕ)

Известно, что соседние клетки одной ткани «перешептываются», передевая «шепотинки» друг другу. В компанию «шепчущихся» принимают только тех, у кого есть специальные нано-приспособления для этого. Причем, если в цитоплазме одной из клеток повысится концентрации Са2+, соседние обижаются на нее и временно перестают с ней «шептаться».

XVII. Что за шепот имеется ввиду, укажите ниже правильный вариант.

XVIII. Нанотела (биология)

Наноалмаз, наноуглерод, нанокластеры... Чего только не придумали с приставкой "нано"! Очень много терминов родилось и умерло за это время, хотя кое - какие заслуженно (или незаслуженно) остались.

XVIII. А вот что такое нанотела, укажите наиболее подходящий вариант ниже.

XIX. Потенциальный антиоксидант (биология)

Вещество X, размеры молекул которого находятся в нанодиапазоне, давно привлекает исследователей как потенциальный протектор от ионизирующего излучения и антиоксидант. Подтверждением тому является большое число статей в журналах о наномедицине, посвященных свойствам данного вещества. Известно, что X содержит 63,83% углерода, 2,15% водорода, 34,02% кислорода по массе (молярная масса <1300 г/моль) и синтезируется из самого известного соединения этого класса веществ Y в две стадии. X не содержит связей С-Н. Предполагают, что X может связываться как с большой канавкой ДНК, так и с ее полифосфатным остовом (см. рисунок).

XIX. Определите молекулярную формулу Х, выбрав ниже подходящий вариант.

XX. Гулливеры и лилипуты (биология)

В известном вам всем произведении про путешествия Гулливера говорится, что существуют лилипуты – уменьшенные, но точные копии людей. А так ли это в мире вирусов?

XX. В отличие от большинства вирусов, некоторые из «лилипутов» мира вирусов, попадая в клетку, не в состоянии даже запустить сборку вирусных частиц. Так, один из них, попадая в клетку и встраиваясь в ДНК, не может запустить процесс сборки вирусных частиц до некоторого события в жизни клетки. Другой вирус-«лилипут» не может ни самостоятельно запустить свой синтез, ни самостоятельно встраиваться в ядро клетки. Где может быть использован второй вирус, укажите нужный вариант ниже.

XXI. Дырявая мембрана (биология - физика).

Основная функция мембраны живой клетки – отделять внутриклеточное содержимое от окружающей среды (защитная или барьерная функция). Если в мембране возникают дефекты типа сквозной гидрофильной поры, ее барьерная функция нарушается, что может привести к гибели клетки. Однако если размер поры невелик, то она самопроизвольно «схлопывается», а целостность мембраны восстанавливается.

XXI. Какое практическое применение могут иметь методы, вызывающие образование пор в мембране, выбирайте самый правильный вариант ниже.

XXII. От атомов - к телам (физика)

Атомно-силовая микроскопия играет важную роль среди методов, применение которых к исследованию различных объектов и структур необходимо для того, чтобы развивать нанотехнологии. Поскольку в основе этого вида микроскопии лежит измерение локального взаимодействия твердотельного зонда с образцом, понимание того, как именно они взаимодействуют, необходимо для правильного использования атомно-силового микроскопа. Обычно, когда говорят о взаимодействии зонда с поверхностью, то упоминают потенциал Леннарда-Джонса, который описывает взаимодействие между незаряженными частицами. Один из членов выражения, описывающего потенциал Леннарда-Джонса, соответствует притяжению. Силы этого притяжения называются ван-дер-ваальсовыми.

XXII. Укажите другое, «жаргонное», название потенциала Леннарда – Джонса, выбрав один из вариантов ответов ниже.

Потенциал Леннарда-Джонса, как уже говорилось, хорошо описывает взаимодействие между двумя частицами. Сами частицы при этом должны иметь размеры много меньшие, чем расстояние между ними. Этот потенциал хорошо описывает взаимодействие отдельных атомов и молекул, а также силы, возникающие между ними. Однако в атомно-силовой микроскопии измеряются силы взаимодействия зонда и поверхности образца (см. рис. 1). Хотя зонд и образец состоят из отдельных атомов и/или молекул, они имеют вполне определенную форму. Эта форма, как и потенциал взаимодействия отдельных атомов или молекул, может оказывать влияние на силу взаимодействия между зондом и поверхностью образца.

XXII. Укажите, в каком из ниже перечисленных случаев не возникнет дополнительных взаимодействий и выше описанный принцип сканирования, скорее всего, останется в силе.

XXIII. Набор кантилеверов (физика)

Во всех вопросах этой задачи не требуется проводить точный расчёт, а нужно сделать лишь приближённую, простую оценку c использованием известных уравнений для упрощенных или модельных систем. Необходимые параметры материалов необходимо найти самостоятельно, когда они требуются.

В лаборатории имеется атомно-силовой микроскоп и набор кантилеверов, которые можно использовать при работе на этом микроскопе. Дано следующее описание имеющихся в наличии кантилеверов:
1. Проводящие бесконтактные кантилеверы NSC14, выполненные из кремния c различными вариантами покрытия (W2C, Ti-Pt, Cr-Au). На каждой пластинке (чипе) размещено по одному прямоугольному кантилеверу. Резонансная частота таких кантилеверов примерно равна 160 кГц, а жесткость - 5 Н/м.
2.Проводящие контактные кантилеверы CSC17, выполненные из кремния с покрытием из W2C. На каждой пластинке размещено по одному прямоугольному кантилеверу. Резонансная частота таких кантилеверов примерно равна 12 кГц, а жесткость - 0.15 Н/м.
3. Контактные кантилеверы CSC21 с покрытием из нитрида кремния (Si3N4). Задняя сторона кантилевера покрыта Al для лучшего отражения. Каждая пластинка содержит два треугольных кантилевера (по одному кантилеверу с каждой стороны). Резонансная частота таких кантилеверов примерно равна 12 и 105 кГц, а жесткость - 0.12 и 2 Н/м соответственно.
4. Бесконтактные кантилеверы NSC11 с покрытием из нитрида кремния (Si3N4). Задняя сторона кантилевера покрыта Al для лучшего отражения. Каждая пластинка содержит два треугольных кантилевера (по одному кантилеверу с каждой стороны). Резонансная частота таких кантилеверов примерно равна 60 и 330 кГц, а жесткость - 3 и 48 Н/м соответственно.
5. Бесконтактные кантилеверы NanoWorld из кремния. Задняя сторона кантилевера покрыта Al для лучшего отражения. Каждая пластинка содержит один прямоугольный кантилевер. Резонансная частота таких кантилеверов примерно равна 320 кГц, а жесткость - 42 Н/м. Грубо оцените массу и объём каждого из кантилеверов.

XXIII. Ниже укажите правильный порядок величин оцененных в Вашем решении объемов кантилеверов (в кубических метрах).

(кликните на картинку один раз, чтобы увеличить и рассмотреть ВНИМАТЕЛЬНО график)

Сканирование поверхностей с помощью атомно-силового микроскопа производится по стандартной схеме (см. рис. 1). Отклонение балки кантилевера регистрируется оптическим датчиком. Сигнал с фотодиода регистрируется аналого-цифровым преобразователем с частотой дискретизации f = 20 кГц. С помощью этого микроскопа требуется изучить рельеф поверхности образца, состоящего из графита. Сканирование было произведено, и результат сканирования некоторого участка показан на графике (рис. 2). На рис. 3 изображён результат сканирования в более крупном масштабе (в масштабе микрон).

XXIII. Подумайте, какие из имеющихся кантилеверов подходят для такого сканирования?

XXIV. Хитрый шпион (физика)

Агенту 113478 было скучно. Его не посылали похищать сверхсекретную информацию, не внедряли в логово мафиозных кланов и противостоящих разведок. Для того, чтобы не терять форму, он решил составить послание связному, причём сделать его традиционно необычным.
Исключительно от скуки он изготовил хрустальный шар, внутри которого заключил очень тонкие полоски золота. Добавив к шару чёрную мантию, колпак, спиритический алфавит, пару чучел ворон и сушёную лягушку, а также забросив сверху красную лазерную указку, он отправил это всё посылкой связному.
Связному тоже было скучно, и, надо признать, что подобной посылки он ждал с нетерпением. Слегка обалдев после распаковывания ящика, связной надел мантию, колпак, расставил алфавит, ворон и лягушку. В центр он водрузил хрустальный шар и начал думать. Подумав, он сделал рентгеновский снимок шара. На рентгене он обнаружил нечто такое, что, обругав себя последними словами, порвал снимок. Затем связной взял лазерную указку и направил её луч на шар. Помимо обычной игры хрусталя, он заметил отчётливый луч, отразившийся от чего-то внутри шара. Это его заинтересовало, и связной начал поворачивать указку. Вдруг луч исчез, но после изменения положения указки появился снова! Связной заново водрузил шар в центр спиритического алфавита и начал перемещать указку по кругу, как изображено на рисунке.
По мере поворота указки луч послушно перетекал с одной буквы на другую, но на одну из букв он не отражался вообще! Переместив указку на несколько миллиметров выше, связной получил отсутствие отражения на другую букву. Ещё выше из отражения выпала третья. Догадавшись, на каком принципе было основано послание агента, связной довольно быстро его расшифровал.

XXIV. Почему луч лазерной указки при определённом положении не выходил из хрустального шара? Как называется это явление?

XXV. Очень хитрые термиты (физика)

(кликните один раз на картинку, чтобы увеличить и оценить все необходимые линейные размеры)

Природа многогранна и полна загадок. Мы познали только самые простые её законы, и она готова каждый раз преподносить человечеству новые открытия. Так, давно подмечено, что многие растения и животные часто используют интересный эффект, который помогает сохранять, например, листья или же крылья «сухими». Они не промокают «насквозь», что позволяет веткам не ломаться под тяжестью листвы, а насекомым и птицам перелетать с места на место в сильный дождь или даже ходить по воде!

Группа учёных, изучая строение крыльев термитов, столкнулась с подобных эффектом, который, как оказалось, имеет более удивительную, сложную и многогранную природу, нежели это считалось ранее. На Рисунке 1 приведены оптические фотографии крыльев термитов разных видов с каплями воды на их поверхности. На Рисунке 2 приведены фотографии тех же крыльев при существенно больших увеличениях. Подумайте, на какую величину волоски на поверхности крыльев должны прогнуться под тяжестью капли воды на Рисунке 1, если жёсткость одного волоска, определённая с помощью атомно-силовой микроскопии, равна 0,172 Н/м.

XXV. Ниже укажите правильный вариант ответа по поводу линейного изменения волосков под весом капли (наиболее близкий к полученному Вами по величине).