Викторины

Светлое будущее IT - технологий

(кликните на картинку один раз, чтобы увеличить!)

Как говорят, "электрон так же неисчерпаем, как и атом", но вот кремниевая микроэлектроника, как предполагают, медленно ползет к своему закату. Именно поэтому девушка Н. на картинке день за днем разрабатывает новые удивительные материалы, которые могут, в частности, совершить (пока гипотетически) чудеса, особенно в IT - области. На фотографиях почти полностью представлена "рецептура", которую девушка Н. использует для получения прототипов изделий, типа тех, что показаны на рисунке 1. Рецептура условно названа "магией", потому что она многостадийна, местами капризна, туманна и зависит от "человеческого фактора", а в результате получаются изделия, обладающие целым набором необычных свойств. Подумайте, какие "чудеса" могут сотворить материалы, подобные изображенным на рис.1, в области IT - технологий (записи, хранении, передаче, обработке, трансформации информации, создании процессорных и прочих важных систем). Какие известные физические явления могут быть вовлечены в функциональность темного изделия на рис.1 в отличие от радужного изделия на рис.10? Из каких фундаментальных принципов полагается, что белый робот будет "думать быстрее"? Предположите, что за жидкость была взята и почему она хранится в холодильнике (рис.2), требует ли специальной подготовки жидкость на рис.3, что за вещество, напоминающее белый снег, и какова его роль в процессе (рис.4.). Почему в процессе, показанном на рис. 5-7, образуется именно "молоко"? Что собой представляет, зачем взято "фиолетовое стекло" и почему оно, собственно, фиолетовое (рис.8). Что за устройство изображено, по - Вашему, за спиной у девушки Н. на рис.9 и почему оно способствует получению радужной пленки? Почему пленка радужная (рис.10)? Что за купорос был взят и зачем (рис.11)? Что за устройство показано на рис.12, какие у него основные компоненты и зачем девушка Н. держит странную трубку в руках?

I. Какой из методов, перечисленных ниже, не может быть использован для получения обсуждаемого класса материалов?

II. Гигантский резонанс

Для создания новых высокоэффективных, сверхчувствительных анализаторов единичных биологических молекул с помощью гигантского комбинационного рассеяния необходимо решать задачи нанопозиционирования на специальных микрочипах. Рассмотрите в качестве примера задачу быстрого и контролируемого перемещения наночастицы золота диаметром 10 нм между двумя позициями на микрочипе отстоящими друг от друга на 500 нм (в одну из этих позиций сфокусирован лазерный пучок).

II. Дайте один из наиболее подходящих вариантов объяснений (ниже), почему ГКР с наночастицами золота может быть использовано для анализа биологических структур внутри живых клеток.

III. Монослой

Синтез монодисперсных наночастиц селенида кадмия в обращенных мицеллах по праву считается первой и наиболее удачной демонстрацией возможностей нанохимии. С 1992 года этот синтез повторила большая часть научных групп по всему миру, а на основе монодисперсных частиц, полученных данным способом, созданы самые разнообразные устройства, включая LED, микролазеры, позиционно чувствительные сенсоры, устройства хранения информации, транзисторы и многие-многие другие... Однако большинство реальных применений таких частиц требует формирования планарных массивов для последующей интеграции с существующей технологией. Попытайтесь и Вы сформировать подобную систему.
Для синтеза частиц олеиновую кислоту (4 ммоль) и ацетат кадмия (1 ммоль) растворяли в 10 мл дифенилового эфира и выдерживали при 140°С для удаления воды и уксусной кислоты. В полученный раствор при 180°С впрыскивали жидкость, полученную растворением селена (1 ммоль) в 1,54 мл триоктилфосфина. После этого реакционную смесь выдерживали при той же температуре в течение 10 минут, а затем охлаждали до комнатной температуры. При этом цвет растворов изменялся от прозрачного до темно-красного. К полученному раствору наночастиц приливали равное по объему количество ацетона, полученный осадок отделяли и промывали ацетоном. После этого полученные частицы редиспергировали в 10 мл гептана. Подумайте, какие процессы протекают и чем обусловлено осаждение полученных наночастиц при добавлении ацетона и последующее их растворение в гептане, для чего используется данный эффект? Подумайте, как рассчитать средний размер и дисперсию наночастиц CdSe, если максимум люминесценции соответствует 530 нм, а полуширина пика люминесценции составляет 10 нм.

III. Какой реагент следует использовать для гидрофилизации полученных квантовых точек, укажите нужный вариант из приводимых ниже.

IV. Наношпион

(кликните один раз на картинку, чтобы увеличить)

Секретный агент номер 113478, работающий в лаборатории нанотехнологий, заподозрил слежку. Его полностью перестали выпускать из помещения, отобрали телефон и доступ в Интернет, а также подло не позволяли писать письма молоком. Единственное, что ему разрешалось, это передавать образцы на анализ. Агент не растерялся и, тщательно подумав, разработал систему почты. Для этого он взял стирол, добавил к нему 2% дивинилбензола и поставил нагреваться на водяной бане при температуре 70°С. При достижении стабильной температуры он прибавил в три одинаковых раствора 1, 2 и 3 грамма инициатора, соответственно, и перемешивал 5 часов. Полученные коллоиды 113478 очистил диализом против 0,01М раствора гидроксида натрия. Затем он обработал полученные частицы спиртом, отцентрифугировал и обработал смесью хлороформа со спиртом. Через 15 мин прибавил растворы 4 разных квантовых точек в хлороформенно-спиртовой смеси. Перемешав полученные растворы, агент вылил их в избыток спирта и диализовал против этилового спирта. Затем он отделил квантовые точки центрифугированием. После этих манипуляций агент смешал три светящихся раствора и передал на анализ. Связному он секретно шепнул пароль: “форез”. Связной 113479 отобрал каплю смеси и пронёс её в свою лабораторию. Там он провёл её электрофорез в 0,01% геле агарозы и получил рисунок, показанный выше.
Связной обратил внимание, что полосы в ультрафиолете светятся. Ради интереса он решил снять их спектры флуоресценции и получил очень интересные данные (тоже показанные на рисунке). Полученный результат его озадачил, но, проявив смекалку, он понял послание своего коллеги и передал его в центр. В центре эта идея понравилась, и агента оставили работать дальше, приказав впредь передавать сообщения таким же изощрённым способом.

IV. Какое послание передал в центр агент 113478, почему Вы так считаете, предположите, для чего на самом деле может быть полезна такая маркировка.

V. Магнитная память

Еще в конце прошлого века компанией Seagate была предложена технология температурно-контролируемой записи информации на так называемых упорядоченных наноструктурированных магнитных средах. Данная технология основана на локальном разогреве отдельно стоящих магнитных частиц с помощью фокусированного лазерного излучения и последующем охлаждении частицы в слабом магнитном поле.

V. Сегодня прототипы таких устройств, основанные на принципе перпендикулярной записи, показывают рекордные показатели плотности хранения информации, какие это примерно величины (в Tb/дюйм2)?

VI. Сита для молекул

Мезопористые алюмосиликаты – класс мезопористых материалов с плотнейшей гексагональной упаковкой пор, обладающих крайне высокой удельной поверхностью и являющихся одними из наиболее перспективных кандидатов на роль кислых носителей катализаторов. Сформировать такую структуру оказалось возможным с помощью темплатного метода, используя мицеллы различных поверхностно-активных веществ в качестве шаблона, на котором происходит сополиконденсация источников кремния и алюминия с образованием гелевой сетки. Удаление темплата из сформировавшегося каркаса приводит к образованию упорядоченных полостей такого же размера и формы, как органическая мицелла.

VI. Какой тип катализа следует использовать при синтезе, укажите вариант ниже.

VI. По данным малоуглового рассеяния рентгеновского излучения и данным дифференциально-термического анализа рассчитайте среднее расстояние между порами и радиус пор мезопористых алюмосиликатов с различным содержанием алюминия. Углы отражения для первых дифракционных максимумов (длина волны 0.154 нм), а также относительная потеря массы (w, %) после удаления ПАВ приведены в таблице. Какого типа для данного мезопористого алюмосиликата был выбран мицеллярный темплат?

VII. Нанофильтры

Анодный оксид алюминия (АОА) синтезируют методом электрохимического окисления металла в кислой среде при pH<5 (растворы H2SO4, H3PO4, H2C2O4) и напряжении от 5 до 250В. В результате образуются пленки различной толщины и диаметром пор от 2 до 200 нм, обладающие пористой структурой с узким распределением пор по размерам (см. рисунок). Такие мембраны обладают прямыми цилиндрическими порами и являются неорганическим аналогом трековых мембран. Мембраны анодного оксида алюминия могут использоваться для гемодиализа, ультра- и микрофильтрации. Экспериментальные значения проницаемости различных чистых растворителей при температуре 25°C составляют (проницаемость мембраны, л/(м2*атм*час)): ацетон - 179, метанол - 117, вода - 73, этанол - 57, пропанол-1 - 27, н-бутанол-1 - 20.

VII. Исходя из этих данных, выбрав правильный ответ из предлагаемых ниже, укажите, по какому механизму (модели) происходит диффузия жидкостей через мембрану анодного оксида алюминия (недостающие данные найдите сами).

VIII. Медленное горение

Литий скоро может стать (ну, пока не буквально) ценнее золота, настолько он полезен из - за использования в современных химических источниках тока. Кроме обычных вторичных источников тока типа "кресла - качалки", в которых литий переходит из одного электрода в другой в циклах разрядки - зарядки, его можно также ... медленно сжечь, причем обратимо, то есть создать топливный элемент на основе лития. Принципиальная схема такого элемента показана выше.

VIII. Какой из ниже перечисленных факторов в наибольшей степени может оказаться губителен для литий - воздушного элемента с незащищенным анодом?

На данном рисунке показаны циклы зарядки - разрядки при использовании различных веществ в составе пористого катода, включая некоторые металлы, оксиды марганца и ванадия.

VIII. Зачем катод делают пористым?

Одна из проблем - утилизация отработавших свое ЛВЭП, содержащих, помимо лития, еще и другие компоненты, которые обсуждались выше. Например, ванадий достаточно токсичен для человеческого организма, однако есть создания природы, которые его безболезненно накапливают.

VIII. Что лучше посадить на месте захоронения токсичных отходов ванадия, оставшихся после ЛВЭП?

IX. Крахмал

Одним из распространенных методов получения наночастиц является диспергирование макроскопического материала или синтез в условиях контроля размера частиц. В некоторых случаях может применяться специфический подход, основанный на селективном разрушении материала, состоящего из микрофаз различной природы. Интересным примером служит нанокристаллический крахмал, исключительно прочные, жесткие частицы которого могут быть получены из дешевого природного сырья.
Зерна крахмала – частично кристаллический материал, обработка которого растворами сильных кислот приводит к постепенному разрушению аморфной фазы и образованию нанокристаллов составляющих крахмал полимеров.
Составляющие крахмал полимеры содержат гидроксильные группы, способные к дальнейшей химической модификации, что позволяет придать материалу дополнительные полезные свойства.
Взаимодействие с подходящими низкомолекулярными соединениями позволяет значительно изменить гидрофильность поверхности кристаллов крахмала.
Большинство методов модификации низкомолекулярными соединениями приводит к частичному разрушению нанокристаллов. Более мягкий способ заключается в инициируемой с поверхности кристалла полимеризации, например, эпсилон - капролактона.
Введение нанокристаллического крахмала в матрицу конструкционных полимеров существенно повышает прочность получаемого материала. Важно, что для проявления этого эффекта кристаллы крахмала должны формировать непрерывную сетку, позволяющую эффективно распределять приложенное напряжение по всему объему образца. Этого можно добиться двумя способами:
А) Введение сравнительно больших (до 5-10%) количеств крахмала в готовый полимер. При этом сетка формируется за счет водородных связей между полярными группами контактирующих нанокристаллов.
Б) Введение меньших (менее 1%) количеств крахмала в полимер, сопровождающееся прививкой полимера на поверхность кристаллов крахмала. При этом нанокристаллы играют роль многофункциональных узлов сшивки полимера, аналогично формированию трехмерной сетки в процессе вулканизации каучука.

X. К какому из продуктов, указанных ниже, приведет деполимеризация крахмала при кислотной обработке (1 балл)?

X. Наноконструкции

Одним из развлечений нанотехнологии является сборка нанообъектов заданной формы: машинок, человечков, кубиков. Пока что это кажется несерьёзным, но возможности у этой концепции немалые. Вам необходимо собрать наноструктуры строго определённой формы, состава и свойств.

Шарик - золотая наночастица (жёлтая) с органическим покрытием (серое) и 3 (либо 4) выступающими “хвостами”.
Гантеля - две органических наночастицы (например, дендримеры), связанные жёстким линкером.
Боло - две органических наночастицы, связанные гибким линкером.
Золотые гири - две золотых наночастицы, связанные жёстким линкером.
Лампочка - золотая наночастица и квантовая точка, связанные жёстким линкером.
Подумайте, какими могут быть реакции, необходимые для получения каждой из наночастиц. Что такое жёсткий и гибкий линкеры? Как будут изменяться свойства золотой гири и лампочки в зависимости от длины линкера и почему?

X. Где уже сейчас может быть, скорее всего, использована "лампочка" на практике, дайте один из вариантов ниже?

XI. Число «пи» с большой точностью

Знаменитое число 3,14159265358979323846…, которое, по определению, равно отношению длины окружности к её диаметру, можно вычислить со сколь угодно большой точностью. Несмотря на то, что оно является иррациональным и, более того, трансцендентным, существуют алгоритмы, позволяющие выписать сколько угодно знаков после запятой. Однако оказывается, что при практических расчётах или измерениях такая точность обычно не нужна. Погрешность при измерениях или изготовлении круглых деталей (а какая-то погрешность, как известно, существует всегда) приводит к тому, что большое число знаков после запятой не помогает. Точность всё равно ограничена физическими факторами. В случае, когда речь идёт об объектах нанометровых размеров, большая точность числа "пи" не требуется ещё и по той причине, что эти объекты состоят из дискретных единиц – атомов, и говорить об окружности на этом масштабе можно в большинстве случаев лишь приближённо.

XI. Оцените, с какой точностью (с каким числом знаков после запятой) нужно взять число "пи" при расчётах длины окружности по радиусу (или наоборот) при изготовлении а.) диска из арсенида галлия для микродискового лазера (рис. 1) радиусом R = 1,8 мкм; б.) квантовой точки из арсенида индия, имеющей форму цилиндра радиусом r = 20 нм; в.)одностенной углеродной нанотрубки диаметром d = 1,4 нм, укажите этот ответ ниже.

Рис. 1. Колонна микродискового лазера. На вставке – квантовые точки из арсенида индия на поверхности арсенида галлия.

XI. Какая из приведенных ниже физических констант в системе СИ сейчас определена с наименьшей относительной точностью?

Рис. 1. Типичный наноосциллятор.

XII. Увидеть кванты

Разработка и постоянное усовершенствование способов создания и исследования наноэлектромеханических систем (НЭМС) открывает новые возможности для исследования квантовых явлений в системах нанометровых размеров. Внимание исследователей всё больше привлекает изучение колебаний наноосцилляторов, простейшим примером которых является осциллятор типа стержня с закреплёнными концами (см. рис. 1). Интересно исследовать вопрос о том, можно ли рассматривать эти колебания как колебания квантового осциллятора (или они имеют чисто классический характер). Одним из главных отличий квантового осциллятора от классического является наличие нулевых колебаний. В связи с этим исследуется вопрос о том, можно ли экспериментально зафиксировать нулевые колебания наноосциллятора. Одной из главных трудностей на этом пути является то, что при исследовании нулевых колебаний в таком осцилляторе необходимо измерять очень малые смещения осциллятора от равновесного положения. Известно несколько способов измерения таких смещений, одному из которых и посвящена данная задача.
Пусть l, w и t – длина, ширина и высота осциллятора, соответственно. Колебания происходят в вертикальной плоскости (параллельно высоте t). Для наблюдения нулевых колебаний требуется выполнение двух условий:
1. Необходимо охладить систему до достаточно низкой температуры (чтобы не происходило тепловое возбуждение более высоких мод колебаний).
2. Необходимо иметь осциллятор с высокой добротностью.
Эти два условия трудно выполнить одновременно. Чтобы можно было пренебречь тепловыми возбуждениями высших мод колебаний, нужно сделать основную частоту осциллятора как можно больше. Чтобы увеличить частоту осциллятора, нужно уменьшить его длину. Но при уменьшении длины осциллятора уменьшается его добротность. Рассмотрим осциллятор, сделанный из кремния, имеющий размеры l = 15 мкм, w = 500 нм и t = 100 нм. Оцените частоту основной моды колебаний осциллятора в рамках классической механики и указав правильный ответ ниже. Натяжение осциллятора в положении равновесия равно нулю. [/B][/I]

Одним из путей совмещения двух указанных выше условий является следующий: если придать осциллятору механическое напряжение (натяжение), то частота колебаний увеличится. При достаточно большом натяжении возникает новый режим колебаний: осциллятор колеблется как натянутая струна. Пусть осциллятор, рассмотренный выше, натянут так, что его относительное удлинение равно 0.0043.

Рис. 2. Схема измерения малых смещений осциллятора.

Для измерения малых смещений осциллятора от положения равновесия предлагается следующая схема. Имеется цилиндрический (дисковый) или тороидальный оптический резонатор с внешним радиусом, приближённо равным R = 30 мкм, сделанный из кремния (рис. 2). К резонатору подводят луч лазера с длиной волны 1550 нм (полоса прозрачности кремния). В резонаторе могут возникнуть стоячие волны, соответствующие модам «шепчущей галереи», если частота какой-либо моды близка к частоте излучения лазера.
Поднесём к резонатору какое-нибудь тело (например, наноосциллятор, см. рис. 2). Тело будет взаимодействовать с ближним полем моды «шепчущей галереи» в резонаторе. В результате частота этой моды немного изменится (сдвинется на некоторую величину "дельта омега"). Величина сдвига "дельта омега" зависит от положения тела (в данном случае – осциллятора). Если положение равновесия осциллятора фиксировано (концы стержня закреплены), то сдвиг зависит от смещения "дельта х" центра стержня от положения равновесия: дельта омега = f (дельта х), где f – некоторая функция. Колебания происходят вдоль оси x. Таким образом, мы имеем преобразователь механических смещений в смещения частоты моды «шепчущей галереи». Величину "дельта омега" можно измерить с большой точностью следующим образом. Частота излучения лазера не совпадает ни с одной из мод «шепчущей галереи» уединённого оптического резонатора (когда наноосциллятора рядом нет): есть небольшая «отстройка» между частотами лазера и одной из мод резонатора. Если к резонатору поднести осциллятор, частота моды изменится и может приблизиться к частоте лазера. При этом начнётся перекачка энергии из луча лазера в резонатор и дальнейшее рассеяние энергии в системе, и интенсивность луча, идущего к фотодетектору, уменьшится. Реальная схема измерения "дельта омега" достаточно сложна, и здесь мы изложили лишь основную идею. Ограничение на точность измерения "дельта омега" накладывает ширина D спектральной линии излучения лазера.
Пусть в эксперименте резкость (финес) оптической системы равна F = 2,3*10^5. Эта величина равна отношению разности частот двух соседних мод резонатора к ширине линии D: F = (омега (k+1) - омега (k))/D.

XII. Оцените минимальную величину смещения дельта x, которую можно измерить описанным методом (т.е. оцените разрешающую способность этого устройства для измерения смещения), укажите ниже правильный вариант ответа.

XIII. Один электрон может многое

(кликните на картинку один раз, чтобы увеличить)

Создание и изучение одноэлектронных устройств является одним из перспективных направлений развития современной микро- и наноэлектроники, поскольку они имеют низкую потребляемую мощность, низкое рабочее напряжение, малые размеры и при этом достаточно высокое быстродействие. Такие устройства имеют одну или несколько малых проводящих областей с малой ёмкостью, называемых островами. Классическим примером одноэлектронного устройства служит одноэлектронный транзистор (одноэлектронным транзисторам посвящена отдельная задача). К другим одноэлектронным устройствам относятся: одноэлектронный ящик, одноэлектронная ловушка, одноэлектронный турникет и насос. А одним из главных достоинств одноэлектронных устройств является возможность создания основанных на них ячеек памяти.
На рис. 1 показана схема простейшего одноэлектронного устройства – электронного ящика. Изменяя потенциал U управляющего электрода относительно острова, можно менять заряд острова Q, который приближённо равен заряду электрона, умноженному на количество избыточных электронов, перешедших на остров под действием электростатического поля. Пусть C0 – ёмкость между управляющим электродом и островом, C – полная ёмкость острова, T – температура системы. При достаточно низких температурах T зависимость заряда острова от потенциала U имеет вид, показанный на рис. 2.

XIII. Пусть C0 = 0,2 фФ (фемтофарад), C = 1 фФ, T = 75 К. При каких напряжениях U на острове будут находиться в среднем n = 3 избыточных электрона, укажите это значение внизу.

(кликните на картинку один раз, чтобы увеличить)

Увеличивая число островов, можно создать одноэлектронные устройства, дающие новые возможности. На рис. 3 показана принципиальная схема одноэлектронной ловушки. Главное свойство данного прибора – это так называемая внутренняя зарядовая память. Одноэлектронная ловушка в пределах некоторого диапазона напряжения управляющего электрода может быть в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях, то есть содержать один, два или несколько электронов на острове, ближайшем к управляющему электроду.

На рис. 4 и 5 изображены ещё два одноэлектронных устройства: электронный турникет и электронный насос. Электронный турникет позволяет пропускать по одному электрону от истока к стоку. Для этого нужно периодически менять напряжение U на затворе (управляющем электроде). Электронный насос – это «продвинутая версия» электронного турникета. Такое устройство позволяет более эффективно перекачивать электроны от истока к стоку.

XIII. Какое из перечисленных ниже устройств действительно относится к "одноэлектронным"

XIV. Пептид-головоломка

Молекула A представляет собой природный полипептид размером около 1 нм. При его неполном кислотном гидролизе в инертной атмосфере были получены только индивидуальные аминокислоты и 9 фрагментов, содержащих в своей последовательности более одной аминокислоты, среди которых есть фрагменты с молярными массами 335, 295, 279 г/моль. После реакции A с динитрофторбензолом и последующим гидролизом среди продуктов было выделено желтое кристаллическое вещество с молярной массой 347 г/моль.

XIV. Каким действием обладает вещество А, дайте правильный вариант ответа ниже

XV. БиоБонд, Джеймс БиоБонд

Суперагент 113478 снова попал в затруднительное положение. Проводя секретные исследования в области генной инженерии, он был лишён врагами связи с внешним миром. Тем не менее, он всё равно составил послание, закодировав его в ДНК. Поученную ДНК он ввёл в капсид и собранным вирусом заразил почтового голубя, которого выпустил наружу.
Связной поймал голубя и после того, как в голубятне вдруг началась эпидемия, сообразил, где искать послание. Выделив из первого голубя частицы вируса, он их секвенировал. Опытным глазом молекулярного биолога он сразу же определил, где записано послание, и через некоторое время расшифровал его. Послание было зашифровано в следующем фрагменте ДНК:

ATG CAT TAA ATG CTT CTT TAA ATG CAA CAA TAA ATG CAA CAA TAA ATG CCT CCT CCT TAA ATG TAA ATG ATA TAA ATG TAA ATG TTT T TAA ATG ATA TAA ATG CAA CAA CAA TAA ATG AAC T TAA ATG TAA ATG TGT TAA ATG CCT CCT CCT TAA ATG CAA CAA CAA TAA ATG CAA CAA CAA TAA ATG TTA TTA TAA ATG TGT TAA ATG TGG TAA

Связной догадался, что агент, дабы не вызвать подозрений, воспользуется для передачи аминокислотным кодом. Ещё он знал, что 113478 был консервативен, коллекционировал старые модели сотовых телефонов и телефонов вообще, предпочитал в терминологии английский язык и недолюбливал новомодную однобуквенную кодировку аминокислот. Он пользовался ею только в том случае, если без этого было уже никак не обойтись. Составив обратное послание и заразив им специально дрессированного таракана, связной начал переписку.

XV. Что содержалось в тексте послания, укажите правильный ответ из ниже приведенных вариантов.

XVI. Нанотехнологии на службе сосудистой хирургии

Стентирование артерий, в первую очередь относящихся к коронарному и каротидному бассейнам, является высокотехнологичным и малотравматичным методом лечения заболеваний, занимающих свыше 50% в структуре смертности населения развитых стран, – ишемической болезни сердца и цереброваскулярной патологии. Стент представляет собой металлический каркас, который подводится к суженному участку сосуда в сложенном виде и раскрывается в месте назначения путем раздувания небольшого баллона внутри конструкции под рентгенологическим контролем. К сожалению, у части пациентов, перенесших стентирование, впоследствии все же происходит развитие сосудистых катастроф: инфарктов миокарда и острых нарушений мозгового кровообращения (инсультов).
Для улучшения прогноза больных, которым выполнена операция стентирования, было предложено несколько оригинальных подходов. Один из них – покрытие металлического (чаще всего титанового) стента при помощи особого типа нанотрубок, самоорганизующихся путем образования межмолекулярных водородных связей между аналогами азотистых оснований ДНК, например, соединения A на рисунке.
Изначально в процессе самоорганизации из A формируется соединение B, содержащее 30 водородных связей (при условии, что остатки аминокислоты лизина полностью ионизированы и образуется максимально возможное число водородных связей).
Формирование окончательной структуры нанотрубки происходит за счет стэкинг-взаимодействий.
В неком пилотном исследовании была предпринята попытка проверки гипотезы о достоверности снижения частоты сосудистых событий (инфаркта миокарда) после коронарной имплантации стентов, покрытых нанотрубками на основе A, в сравнении с обычными непокрытыми титановыми стентами. Было выяснено, что из 10 пациентов, которым были установлены покрытые стенты, только у одного в течение года наблюдения возник инфаркт миокарда, тогда как в группе сравнения, состоявшей из 11 человек, – у трех.

XVI. Означают ли полученные результаты, что покрытые нанотрубками стенты более эффективны, чем обычные металлические, укажите необходимый вариант ниже?

XVII. Борьба с диабетом

Сахарный диабет 1 типа является одной из неизлечимых болезней человека. При диабете такого типа в организме перестаёт вырабатываться инсулин, в результате чего резко нарушается метаболизм.
Для нормальной жизни больные должны постоянно вводить инсулин. Разработаны "пролонгированные" формы инсулина, инсулин, защищённый от действия протеаз, который можно принимать с пищей, схемы введения инсулина через кожу без инъекций. Восстановить выработку инсулина самим организмом медицина пока не в состоянии. При получении генно-инженерного инсулина возникает ряд проблем, основная из которых – фолдинг белка после его синтеза на рибосомах.
В то же время, нет принципиального запрета на синтез инсулина в организме человека, используя белковые машины других клеток.
Вам, как бионанотехнологу, поставлена задача осуществить управляемый биосинтез инсулина в печени больного. Для этого необходимо, чтобы на необходимых органеллах гепатоцитов в нужный момент появилась и-РНК, кодирующая инсулин. Её подхватят рибосомы, синтезируют белок, далее произойдёт его фолдинг и клетка секретирует инсулин. Через какое-то время РНК распадётся под действием рестриказ, и биосинтез белка прекратится.
Предположим, что в качестве носителя РНК Вы примените золотые наночастицы.
Для фиксирования необходимой и-РНК на наночастицах удобно образование дуплексов с ковалентно привязанными комплементарными фрагментами.
Для высвобождения РНК необходимо “расплавить” дуплекс.
Это достигается либо введением хаотропов, которые разрушают систему водородных связей, либо нагревом. Хаотропы обычно токсичны, поэтому для плавления дуплекса воспользуемся нагревом.
Наконец, для защиты РНК от действия рестриктаз, наночастицы покрывают “шубой” из полимера. Её нужно нанести поверх дуплекса, для чего удобно воспользоваться зарядовым взаимодействием. В Вашем распоряжении полиэтиленгликоль, полиазиридин, полиэтиленимин, крахмал этоксиэтилированный, крахмал карбоксиметилированный, хитозан, декстран, фиколл, агароза.

XVII. На самом деле, в задаче заложена одна фатальная ошибка, которая сводит все ценности этого решения к нулю. Укажите ниже, как её исправить.

XVIII. Между спасением и погибелью

Фуллерены играют важную роль в развитии современных нанотехнологий. Среди возможных областей применения фуллеренов важное место занимают биология и медицина. На рисунке представлены данные по влиянию производного фуллерена (С60(ОН)25) на УФ-индуцированное повреждение мембран перитонеальных мышиных макрофагов. Макрофаги были прикреплены к покровным стеклам, находящимся в чашках Петри с раствором буфера. Клетки облучались УФ – излучением с длиной волны 306 нм в дозе 3 Дж/см2. Повреждение клеточных мембран исследовали с помощью микрофлуориметрического метода, используя флуоресцентные красители. Данные отражают влияние производного фуллерена на развитие во времени повреждения клеточных мембран после окончания облучения. Как видно, в отсутствие производного фуллерена в интервале времени от 15 мин (столбик 1) до 60 мин (столбик 2) после окончания облучения происходит возрастание числа поврежденных клеток. Инкубация клеток с производным фуллерена при их облучении и дальнейшая 60-ти минутная инкубация (столбик 3) сопровождалась значительным увеличением числа поврежденных клеток. Из рисунка также видно, что добавление производного фуллерена к клеткам после окончания их облучения приводит к тому, что в темновой период 60-ти минутной инкубации имеет место менее выраженное развитие повреждения мембран клеток (столбик 4), чем в случае их УФ- облучения и инкубации без производного фуллерена (столбик 2).

XVIII. Каков возможный механизм повреждения мембран при УФ - облучении вы считаете наиболее вероятным из приведенных ниже?

XIX. Застежки и кубики

Известно, что нуклеиновые кислоты образуют дуплексы со строгим соответствием (комплементарностью) оснований. Образуются они преимущественно за счёт водородных связей, но есть и вклад других взаимодействий. Предположим, что, привив определённое количество молекул олигонуклеотидов, Вы получили поли-А и поли-Т матрицы. Длина олигонуклеотидов – 30 букв.

XIX.1. Рассчитайте и потом укажите ниже наиболее подходящий вариант, какое количество молекул необходимо привить для получения застёжки, при расстёгивании которой требуется энергия 15 Дж. При расчёте предположите, что вклада стекинга, гидрофобного взаимодействия и спирализации нет.

Подумайте, каким способом можно изготовить подобные нанозастёжки, используя в качестве матриц сшитый полистирол, золото, кремнезём.

XX. Такой сложный материал под ногами…

В настоящее время наиболее распространенным типом покрытий автомобильных дорог является асфальтобетонный, устраиваемый с применением органических вяжущих веществ, в основном, с использованием нефтяных битумов. Такие покрытия получили преобладающее распространение как за рубежом, так и в России. В частности, в РФ, США, Германии, Франции, Японии и других странах около 90-95 % усовершенствованных дорожных покрытий строится с использованием битума в качестве вяжущего вещества. Эти вяжущие материалы включают широкую группу термопластичных продуктов вязкой или жидкой консистенции, применяемых для строительства и содержания автомобильных дорог и аэродромов, гидротехнических сооружений, гидроизоляции тоннелей, мостов, подземных сооружений и зданий, для защиты от коррозии и других целей. Они служат термопластичным связующим, функции которого заключаются в образовании между частицами минеральных материалов или покрываемых поверхностей прочной связи, устойчивой к механическим нагрузкам, воздействию климатических факторов и агрессивных сред. Широкое применение органических вяжущих обусловлено тем, что они отличаются значительным разнообразием свойств, правильное использование которых дает ряд существенных преимуществ.

Битумы являются органическим вяжущим черного или темно-бурого цвета, содержащие в своем составе смесь высокомолекулярных соединений углерода с водородом и их производных, включающих серу, кислород и азот, а также металлы (ванадий, железо, натрий и др.), и представляют собой сложную дисперсную систему.
Структурообразование является одним из основных факторов, влияющих на реологические характеристики битумов, поэтому изучение структуры очень важно для оценки их эксплуатационного поведения.
Качество битумоминерального материала, включая асфальтобетон, в первую очередь, определяется особенностями связей, возникающих между отдельными минеральными зернами, свойствами битума, а также процессами взаимодействия минеральных материалов и битума на их общей поверхности раздела. Для обеспечения прочного и устойчивого сцепления битум должен равномерно покрывать тонким слоем поверхность склеиваемых минеральных материалов. Равномерность и полнота покрытия, в свою очередь, зависят от хорошего смачивания битумом минеральной поверхности. Вслед за смачиванием происходит процесс избирательной адсорбции на минеральной поверхности отдельных компонентов битума и, в первую очередь, поверхностно-активных веществ. При взаимодействии минеральных материалов и битума наиболее важное значение имеют процессы химической адсорбции, протекающие на границе раздела «битум – минеральный материал».

XX. Что такое "мальтены", выберите наиболее подходящий вариант ниже.

XXI. Doom (Дисперсно-Упрочненные Материалы)

Дисперсно-упрочненными композиционными материалами называют материалы, содержащие искусственно вводимые в них равномерно распределенные упрочняющие частицы, не взаимодействующие активно с матрицей и не растворяющиеся в ней заметно вплоть до температуры плавления.
В проволочную форму высокотемпературных сверхпроводников (сложные купраты, ВТСП) в серебряной оболочке, подвергающихся сильным механическим напряжениям (вплоть до разрыва) при пропускании больших токов, генерирующих магнитное поле в соленоидах, трансформаторах, ограничителях предельно допустимых токов, вводят оксид магния, который существенно улучшает их механические характеристики.

XXI. Как вводят этот оксид магния в композит, укажите ниже правильный вариант ответа.

XXII. Неуязвимые бетоны – «терминаторы»

Сегодня сложно представить строительство домов и коттеджей без использования бетона. Это один из основных строительных материалов, который широко распространён как в индустриальном, так и в частном строительстве.
Бетон – это строительный материал, который образуется при отвердевании смеси вяжущего вещества, заполнителей, добавок и воды. Он широко распространён как в индустриальном, так и в частном строительстве. К сожалению, есть одна большая проблема – при нагрузках изделия из бетона покрываются трещинами, что впоследствии снижает прочность и увеличивает коррозию. Однако ученые придумали, как с этим бороться, разработав уникальный бетон, способный, как терминатор из фильма «Терминатор: судный день», восстанавливать себя.
Новый композиционный строительный материал под давлением может гнуться, но при этом он не ломается и не крошится. Как только нагрузка исчезает, бетон возвращает себе первоначальную форму. Хотя его поверхность из-за прогиба покрывается обширной сеткой мелких трещинок, достаточно обычного дождя, чтобы они затянулись сами собой.
Другие разработали «пилюли с нано» для бетона, а третьи и вовсе, в прямом смысле этого слова, заживляют «раны» бетона.

XXII. Дайте правильный вариант ответа ниже, как может происходить заживление «ран» бетона.

XXIII. Самовосстановление

(кликните один раз картинку, чтобы увеличить)

Любой организм на Земле, будь то бактерия или кит, имеет множество защитных механизмов, позволяющих ему существовать в столь агрессивной среде, как наша биосфера. Одним из таких механизмов является возможность восстановления потерянных клеток, тканей и даже целых органов. Всё это можно объединить одним ёмким словом – регенерация. Чем более сложное строение имеет организм, тем менее выражен это процесс, т.е. человеческий организм всего-навсего способен лишь восстанавливать потерянные или повреждённые клетки. Однако и этого нам вполне хватает в повседневной жизни.
Хуже обстоит дело с различными бытовыми предметами и устройствами из неживого мира. Однако, в ряде случаев действительно удается добиться того, чтобы материал "жил", то есть сам бы себя «лечил» и всегда был, как новенький. Это всего лишь самый безобидный пример мечты о самовосстанавливающихся материалах (что же говорить, например, о военной технике!).
Понимая всю важность применений таких материалов, учёные постоянно придумывают новые идеи, как создать эффективный самовосстанавливающийся материал, как сделать его производство простым и дешёвым. Особое место среди таких материалов занимают полимеры. Одна группа учёных предложила использовать для указанных выше целей полимеры на основе полиуретана. Для создания композита взяли производное хитозана (рис. 1), которое ввели в реакцию с 3-(хлорметил)-3-метилоксетаном в присутствии NaOH, при этом образовался продукт А. Далее к продукту A добавили полиэтиленгликоль и гексаметилен диизоциант (рис. 2). В результате сформировался самовосстанавливающийся полимер.
На рисунке 4 представлены оптические фотографии эволюции трещин в ходе процесса самовосстановления полимера под действием УФ-излучения.

XXIII. Дайте (ниже) ответ, что способствует склонности оксетана к полимеризации.

XXIV. Покупайте лучшее! (без права на рекламу)

Только наша фирма разрабатывает и продаёт уникальные нанокомпозитные материалы! Они незаменимы в строительстве и ремонте! Они удобны и долговечны! Вот лишь некоторые:

Волокнит
Новейший нанотехнологичный материал, сочетающий высокую прочность нановолокон и матрицы из нанокристаллов. Изготавливается по запатентованной технологии на специализированном оборудовании. Основу Волокнита составляют высокопрочные нановолокна на основе силикон диоксида, помещённые в матрицу из лучших образцов алита и микрочастиц кремнезёма. Алит обрабатывается чистейшей артезианской водой из скважины глубиной 350 метров. Гипертермическая обработка острым паром придаёт материалу поистине космическую прочность. Волокнит имеет равную прочность во всех направлениях, долговечен и негорюч. Тонкие, лёгкие и удивительно прочные листы Волокнита укроют Ваш дом и защитят его от любых капризов погоды!

Керамит
Керамит является предшественником технологии Волокнита. Он представляет собой матрицу из нано- и микрокристаллов муллита, вещества, из которого делали компоненты брони танков. Муллит получен и закалён высокотемпературной обработкой, обладает высокой твёрдостью, прочностью, износостойкостью. Способен выдерживать высокие температуры и даже попадание концентрированных кислот и щелочей. Капли расплавленной стали отскакивают от его поверхности, не причиняя ни малейшего вреда! Для Вашего удобства этот суперматериал производится в виде тонких плит, идеально подходящих для облицовки участков, подверженных сильному износу. Специально обученные мастера способны из плит Керамита создать крышу, которой не страшны ни кислотные дожди, ни даже радиоактивные осадки!

Целлювар
Целлювар является последней разработкой нашей фирмы. Данный композитный материал состоит из специально подготовленных нанофибрилл поли-бетта-(D)-глюкозы, помещённых в матрицу из органических материалов. Целлювар лёгок, прочен, водонепроницаем. Входящие в его состав материалы имеют природное происхождение, не содержат ГМО.
Целлювар выпускается в виде широкой ленты длиной 25 и 50 метров. Он отлично сваривается, легко укладывается и долго служит, защищая Вас и Ваш дом!

Покупайте лучшее!! Наши продукты были разработаны ведущими специалистами, они запатентованы и успешно используются во многих странах мира!!!

XXIV. Ниже уточните, что из перечисленного получило название "горного дерева".

XXV. Бронежилет

Секретный агент 113478 работал на суперсекретном заводе по изготовлению бронежилетов. Там он возглавлял лабораторию новых средств защиты. Через некоторое время он заподозрил слежку и оборвал контакт с “Большой землёй”. Затем, тщательно продумав схему передачи, он составил сообщение и передал его связному. При передаче 113478 шепнул: “щёлочь и хлороплазма”.
Связной надел полученный бронежилет и с боем покинул лабораторию. При этом в него попало 10 пистолетных пуль, 2 автоматных и одна винтовочная. Бронежилет выдержал всё, хотя и потерял товарный вид.
В лаборатории, помня о послании, связной положил бронежилет в щёлочь. Через некоторое время металл приобрёл ярко-жёлтый цвет и перестал растворяться. При этом на нагрудной кирасе появился текст! Сфотографировав его, связной стравил плазмой хлора верхний слой и снова погрузил бронежилет в щёлочь. Так была открыта вторая, третья и далее страницы секретного послания. В конце концов, бронежилет полностью растворился. Защита спины, хотя и имела такое же строение, как нагрудная, послания не содержала.
Связного очень заинтересовала структура и материалы столь чудесной брони, поэтому при растворении он делал пометки и анализы. В ловушке плазменной установки при охлаждении жидким азотом скопились продукты плазменного травления. При нагревании ловушки образовалась тяжёлая жидкость с хлопьями белёсого осадка. Жидкость имела очень сильный запах и заметно дымила на воздухе. Отфильтрованные хлопья с лёгким хлопком реагировали с водой, давая облачко белого дыма с резким запахом. Вода после реакции давала осадок при прибавлении избытка аммиака, но не образовывала осадков при добавлении избытка щёлочи или кислоты. Фильтрат можно было разделить на две фракции перегонкой. Причём первая фракция вообще не реагировала ни с водой, ни с кислотами, ни с аммиаком или щёлочью, а вторая реагировала со всеми перечисленными реагентами очень бурно, неизменно давая массу густого белого дыма.
Количественно перегнав новую порцию жидкости, связной получил две фракции примерно равной массы. Он поместил их в стальные бомбы и добавил избыток натрия. После лёгких взрывов, он обнаружил в одной бомбе копоть, а во второй – порошок металла, который после электронно-лучевой плавки образовал блестящий серебристый слиток. В обоих бомбах было найдено равное количество поваренной соли.
Обдумав результаты, связной несколько изменил компоненты брони и заметно улучшил её характеристики, после чего носил её постоянно.

Оцените, какова толщина слоёв, если травление в щёлочи концентрацией 0,01 моль/литр занимало 10 мин при скорости подачи щёлочи 97 мл/мин, а время плазменной обработки было равно 21,73 мин при давлении атомарного хлора в 100 Па и температуре 500К? Считать, что щёлочь и плазма воздействуют на материал в режиме потока с полным расходом компонентов. Толщину потока плазмы примите равной 10 см. Скорость потока плазмы считайте кратной полным объёмам реактора (площадь кирасы, умноженная на толщину потока) и равной 5 объёмов в минуту. Плотность золотистого материала примите равной 4,9 г/см3. Кирасу считайте правильной трапецией с меньшим основанием равным 45 см, большим – 52 см и высотой – 50 см.

XXV. Сколько страниц было в послании агента 113478, если толщина бронежилета была равна 5 мм?