Программа

краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников

высшей школы по направлению

«Методы и технологии получения наноструктурных материалов»

на базе учебного курса

«Физико-химия кластеров и наночастиц»

Цель: ознакомление слушателей с основными классами кластеров и

наночастиц, их физико-химическими свойствами, с развивающимися в настоящее время областями их применения.

Категория слушателей: преподаватели и научные работники высшей школы Срок обучения: _36 часов_ Форма обучения: _с частичным отрывом от работы Режим занятий: _8 часов в день_ Требования к уровню освоения учебного курса Преподаватели должны:

Знать:

o определение и классификацию кластеров и наночастиц;

o физико-химические основы процессов образования кластеров и наночастиц;

o основные области применения кластеров и наночастиц.

Иметь навыки:

o сбора, систематизации и анализа научно-технической и другой профессиональной информации в области физико-химии кластеров и наночастиц;

o включать приобретенные знания о физико-химии кластеров и наночастиц в уже имеющуюся систему знаний и применять эти знания в самостоятельных методических разработках;

o переноса полученных знаний о физико-химии кластеров и наночастиц на смежные предметные области и использования этих знаний для построения междисциплинарных методических разработок.

Иметь представление:

o о принципах классификации кластеров и наноструктур;

o о принципах учета физико-химических эффектов и поверхностных процессов в нанотехнологиях;

o о возможных механизмах поверхностных реакций: обмене лигандами, диссоциации, ассоциации;

Научные работники должны:

Знать:

o определение и классификацию кластеров и наночастиц;

o физико-химические основы процессов образования кластеров и наночастиц;

o зависимость физико-химических свойств от состава и строения кластеров и наночастиц ;

o основные области применения кластеров и наночастиц.

Иметь навыки:

o сбора, систематизации и анализа научно-технической и другой профессиональной информации в области физико-химии кластеров и наночастиц;

o планирования и проведения исследований и экспериментов по получению кластеров и наночастиц с заданными физико-химическими свойствами;

o генерировать новые плодотворные научно-технические и инновационные идеи по получению кластеров и наночастиц с заданными физико-химическими свойствами;

o переноса полученных знаний о структуре и свойствах кластеров и наночастиц на смежные предметные области и использования этих знаний для создания новых объектов техники и технологии и для инновационной деятельности;

o переноса полученных знаний о физико-химии кластеров и наночастиц на смежные предметные области и использования этих знаний для построения междисциплинарных методических разработок.

Иметь представление:

o о принципах классификации кластеров и наноструктур;

o о принципах учета физико-химических эффектов и поверхностных процессов в нанотехнологиях;

o о возможных механизмах поверхностных реакций: обмене лигандами, диссоциации, ассоциации;

Учебный курс «Физико-химия кластеров и наночастиц» состоит из дистанционной и очной частей.

Дистанционная часть учебного образовательного курса обеспечивает слушателя необходимым объмом знаний по выбранной тематике, включая подготовку слушателя к проведению лабораторного практикума. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному посещению лаборатории в Казанском государственном техническом университете.

В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены физикохимические основы прогнозирования свойств кластеров и наночастиц, получивших в последнее время широкое распространение в различных областях науки и техники.

Теоретическая часть учебного курса состоит из пяти лекций:

Лекция 1: Определение и классификация кластеров и наночастиц.

Определение и классификация кластеров и наночастиц. Основные типы кластеров и наночастиц: молекулярные лигандные кластеры, безлигандные металлические кластеры, кластеры переходных металлов, углеродные кластеры, коллоидные кластеры и наноструктуры, твердотельные нанокластеры и наноструктуры.

Лекция 2: Физико-химия образования кластеров и наночастиц.

Физико-химия образования полиядерных комплексов, кластеров и наночастиц.

Механизмы образования полиядерных комплексов, кластеров и наночастиц. Зависимость свойств кластеров и наночастиц от их строения. Кластерные реакции.

Лекция 3: Электронная структура и свойства кластеров и наночастиц.

Электронная структура кластеров и наночастиц. Гетеровалентность. Электронный перенос. Металлоорганические парамагнитные молекулы и гетероядерные комплексы.

Фрактальные кластеры. Влияние образования фрактальных структур на физикохимические свойства наноматериалов. Эпитаксии. Гетероэпитаксия. Гомоэпитаксия.

Эндотаксия.

Лекция 4: Оптические и магнитные свойства наносистем и наноматериалов Оптические свойства наносистем и наноматериалов. Магнитные свойства наносистем и наноматериалов. Электропроводимость наноструктур. Молекулярные магнетики.

Суперпарамагнетизм. Намагниченность. Магнитные фазовые переходы. Влияние электрических и магнитных полей в наноматериалах. Магнитные наножидкости.

Лекция 5: Применение кластеров и наночастиц в различных областях науки и техники.

Электропроводящие устройства. Интеграции наноструктур в электронные устройства.

Физико-химические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии. Локальные химические электронно-стимулированные реакции. Бионаноматериалы. Нанопорошки.

Нанороботы. Нанолитография.

Очная (экспериментальная) часть учебного курса заключается в изучении термодинамических, кинетических, оптических и магнитных свойств наночастиц на основе переходных металлов в растворах.

Основные задания на лабораторный практикум:

Синтез полиядерных и кластерных наночастиц на основе ионов переходных металлов Fe(II), Fe(III), Ni(II), Cr(III), Sm(III), Co(II).

Термодинамика и кинетика полиядерных и кластерных наночастиц на основе ионов переходных металлов Fe(II), Fe(III), Ni(II), Cr(III), Sm(III), Co(II), Nd(III).

Оптические свойства полиядерных и кластерных наночастиц на основе ионов переходных металлов Fe(II), Fe(III), Ni(II), Cr(III), Sm(III), Co(II), Nd(III).

Магнитные свойства полиядерных и кластерных наночастиц на основе ионов переходных металлов Fe(II), Fe(III), Ni(II), Cr(III), Sm(III), Co(II), Nd(III).

Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится по 28 и 8 часов соответственно.

Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте www.nanoobr.ru.

Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.

Лекция 1: Определение и классификация кластеров и наночастиц.

1. Кластеры - это А) соединения металлов с лигандами Б) соединения металлов и неметаллов 2. Лиганды играют роль А) стабилизаторов структуры Б) дестабилизаторов структуры 3. Гетероядерные кластеры и наночастицы – это частицы, А) содержащие частицы металла и лиганда Б) содержащие разные металлы 4. Увеличение числа частиц в кластере ведет к В) различию свойств внутренних и внешних Г) уменьшению устойчивости частиц частиц 4. Коллоидные кластеры - это А) золи металлов и оксидов металлов Б) микроэмульсии (наноэмульсии) 5. Соотношение водной фазы и ПАВ влияет на А) форму образующихся кластеров Б) размеры образующихся кластеров В) свойства образующихся кластеров Г) ни на что не влияет 6. Абляция – это А) высокоэнергетическое измельчение твердого Б) кристаллизация образца под действием В) кристаллизация образца под действием Г) лазерное облучение твердого образца высокого давления Лекция 2: Физико-химия образования кластеров и наночастиц.

1. Особенности строения микроэмульсий влияют на А) магнитные свойства жидкости Б) оптические свойства жидкости 2. Гетеровалентные комплексы – это комплексы, содержащие В) разные ионы металлов в разной степени Г) одинаковые ионы металлов в разной степени 3. Наиболее термодинамически устойчивы 4. Основные свойства поверхности наночастиц определяет А) адсорбция атомов и молекул Б) плотность упаковки 5. Распределение нескольких сортов атомов на границе раздела фаз определяется А) номером элемента в Периодической системе Б) степенью окисления элемента В) суммарным понижением свободной энергии Г) суммарным повышением свободной энергии 6. Координационные числа А) внутренних атомов выше, чем у Б) внутренних атомов ниже, чем у В) внутренних атомов равны координационным Г) все ответы верные числам поверхностных 7. Электронная оболочка внутренних атомов В) поляризована слабее, чем у поверхностных Г) поляризована сильнее, чем у поверхностных Лекция 3: Электронная структура и свойства кластеров и наночастиц.

1. Перенос электронов в остове кластера сопровождается В) изменением нуклеарности остова Г) все ответы верные 2. Электрическая проводимость фуллеритов соответствует 3. Размер образующихся коллоидных кластеров определяется В) временем и температурой реакции Г) все ответы верные 4. ККМ - это А) кривая кластерного мицеллобразования Б) комплексная кластерная мицелла В) критическая концентрация Г) критическая концетрация 5. Вандерваальсовы взаимодействия играют существенную роль при образовании В) углеродных нанотрубок Г) гетервалентных комплексов 6. Минимальным сродством к электрону обладают А) цепочечные кластеры с четным числом Б) цепочечные кластеры с нечетным числом В) разветвленные кластеры с нечетным числом Г) разветвленные кластеры с четным числом 7. Фрактальные кластеры по сравнению с обычными А) требуют меньшее количество частиц для Б) плотность частиц фрактального кластера В) обладают большей седиментационной Г) все ответы верные устойчивостью Лекция 4: Оптические и магнитные свойства наносистем и наноматериалов 1. Высокоэнергетическое измельчение магнитных порошков влияет на В) размер образующихся частиц Г) все ответы верные 2. Суперпарамагнетизм кластеров и наночастиц проявляется при размерах 3. Наложение внешнего магнитного поля на суперпарамагнетик приводит к А) быстрому изменению агрегатного состояния Б) быстрому насыщению вырожденных В) быстрому насыщению намагниченности Г) быстрой потере намагниченности 4. Спиновое стекло характеризуется А) разупорядоченным расположением Б) упорядоченным расположением магнитных магнитных моментов кластеров моментов кластеров В) смесь кластеров с упорядоченным и Г) все ответы верные разупорядоченным расположением магнитных моментов 5. Поведение коллоидных кластеров в магнитном поле определяется 6. Гигантское магнетосопротивление - это явление уменьшения сопротивления наноматериалов при действии магнитного поля Лекция 5: Применение кластеров и наночастиц в различных областях науки и 1. Применение кластеров и наночастиц обусловлено А) изменением плотности состояний в Б) с проявлением квантоворазмерных эффектов валентной зоне и в зоне проводимости В) размернозависимым поведением физических Г) все ответы верные и химических свойств 2. Наноматериалы являются А) являются плохо изученными материалами Б) потенциально опасными для окружающей В) очень перспективными материалами Г) все ответы верные 3. Свойства металлов при переходе к наноразмерам В) изменяются экспоненциально Г) все ответы верные 4. Наноткань отличается от обычной тем, что А) на поверхность обычной ткани нанесен Б) имеет иные свойства нанослой определенных частиц 5. В Российской Федерации токсикологические исследования наноматериалов А) никак не регулируется Б) регулируются локальными актами В) регулируется законом РФ Г) регулируется подзаконными актами РФ 6. Нанороботы - это А) роботы, покрытые наноматериалами Б) роботы, созданные из наноматериалов Контрольные вопросы для проверки материала в количестве 25 вопросов 1. Определение кластеров и наночастиц.

2. Признаки классификации кластеров и наночастиц.

3. Особенности структуры и свойств молекулярных лигандных кластеров.

4. Особенности структуры и свойств кластеров переходных металлов.

5. Особенности структуры и свойств безлигандных металлических кластеров.

6. Особенности структуры и свойств углеродных кластеров.

7. Особенности структуры и свойств коллоидных кластеров и наноструктур.

8. Особенности структуры и свойств твердотельных кластеров и наноструктур.

9. Особенности структуры и свойств кластерных кристаллов.

10. Механизмы образования кластеров и наноструктур.

11. Зависимость свойств кластеров и наночастиц от их строения.

12. Кластерные реакции.

13. Самоорганизация и самосборка.

14. Электронная структура кластеров и наночастиц.

15. Гетеровалентность.

16. Электронный перенос.

17. Металлоорганические парамагнитные молекулы и гетероядерные комплексы 18. Фрактальные кластеры.

19. Влияние образования фрактальных структур на физико-химические свойства наноматериалов.

20. Эпитаксии. Гетероэпитаксия. Гомоэпитаксия. Эндотаксия.

21. Оптические свойства наносистем и наноматериалов.

22. Магнитные свойства наносистем и наноматериалов.

23. Электропроводимость наноструктур.

24. Молекулярные магентики.

25. Суперпарамагнетизм наночастиц.

26. Намагниченность.

27. Магнитные фазовые переходы наночастиц.

28. Влияние электрических и магнитных полей в наноматериалах.

29. Магнитные наножидкости.

30. Электропроводящие устройства.

31. Интеграции наноструктур в электронные устройства.

32. Физико-химические эффекты в туннельно-зондовой нанотехнологии.

33. Локальные химические электронно-стимулированные реакции.

34. Бионаноматериалы.

35. Нанопорошки.

36. Нанороботы.

37. Нанолитография.

В конце очной части учебного курса слушатели готовят отчеты по темам контрольных рефератов, которые используются для контроля степени усвоения всего учебного курса на базе экспериментальных результатов и их обработки с применением знаний из дистанционной части курса.

Основные понятия физико-химии кластеров и наночастиц.

Основные свойства, классификация кластеров и наночастиц.

Структура и свойства кластеров и наночастиц: молекулярные лигандные кластеры.

Структура и свойства кластеров и наночастиц: кластеры переходных металлов.

Структура и свойства кластеров и наночастиц: безлигандные металлические 6. Структура и свойства кластеров и наночастиц: углеродные кластеры.

7. Структура и свойства кластеров и наночастиц: коллоидные кластеры.

8. Структура и свойства кластеров и наночастиц: твердотельные кластеры.

9. Применение наноструктур в электронике.

10. Нанопорошки и объемные наноструктурированные материалы.

11. Применение углеродных наноструктур.

12. Металлоорганические парамагнитные молекулы и гетероядерные комплексы 13. Жидкие наноструктуры.

14. Наноструктурные пленки и поверхностные слои.

15. Применение нанопористых материалов.

16. Бионаноматериалы.

17. Нанороботы.

18. Нанолитография «Физико-химия наночастиц»

Лекция 1:

Определение и кластеров и наночастиц Лекция 2:

Лекция 3:

Электронная структура и свойства кластеров и наночастиц.

Лекция 4:

Оптические и магнитные свойства наносистем и наноматериалов Лекция 5:

Применение кластеров и различных областях науки и техники.

Список литературы (основной и дополнительной), а также других видов учебно-методологических материалов и пособий, необходимых для изучения (конспектов лекций, видеолекций, лазерных дисков и др.).

и др. дополнительных источников информации в кол-ве – 22.

Основная литература 1. Стромберг А.Г. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов/ А.Г. Стромберг, Д.П.

Семченко; Под ред. проф. А.Г.Стромберга. – 2003.

2. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов/ А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко; Под ред. проф. А.Г.Стромберга. - 5-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2003.- 527 с.

3. Физическая химия. В 2-х кн.: Учеб. для вузов/ К. С. Краснов; авт. И.Н. Воробьев, авт.

В.Н. Годнев. - 3-е изд., испр.. - М.: Высш.шк., 2004, 512с.

4. Физическая химия: Учебник для вузов.-М.:Агар 2003.-320 с.

5. Практикум по общей химии. Физическая химия, часть III, под редакцией проф.

Глебова А.Н., Казань, изд-во «Экоцентр», 1998г.,80 с.

6. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (Серия "Синергетика: от прошлого к будущему").

7. Губин С.П. Химия кластеров. Основы классификации и строение.-М.:Наука. 1987.- 8. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – Пер. с японск.- М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007.-134 с.

9. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: Учебное пособие.- М.: Догос. 2006.- 496 с.

10. Глебов А.Н., Дьячкова Т.А., Тарасов О.Ю. Химия гетеровалентных комплексов.Казань: Изд-во Казанск. Ун-та. 1994.- 118 с.

11. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение. – М.:Изд-во «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2007.

12. Медихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого тела. – М.:Изд-во «БИНОМ.

Лаборатория знаний», 2007.

13. Веденяпин В.В. Математическое моделирование нанотехнологических процессов и наноструктур. – М.:Изд-во «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2007.

Дополнительная литература 1. Рабинович В.А. Краткий химический справочник. 3-е изд., перераб. и доп. — Л., 1991.

2. Справочник химика, Т. 1–6 — Л.: Химия, 1963–1967 гг.

3. Гуль В.Е., Царский Л.Н., Майзель Н.С. и др. Электропроводящие поли-мерные материалы.- М.: Изд-во «Химия», 1968.-248с.

4. Физическая химия: Теория и практическое руководство/ Б.П. Никольский. – 1978, 5. Химическая термодинамика: Учеб.пособие для хим. спец. вузов/ Карапетьянц М. Х. е изд., перераб. доп.. - М.: Химия, 1975. - 583с.

6. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд А.С. Наночастицы металлов в полимерах. – М.: Химия. – 2000.

7. Гусев А.И, Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2000.

8. Сергеев Г.Б.Нанохимия.- М.: Изд-во МГУ.- 2003.

9. Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний – материал нанотехнологий. – М.:Издво «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2007.

Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса на