ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Место курса «Основы нанотехнологии» в школьном образовании

определяется значением нанотехнологии как науки в жизни современного

общества, и ее влиянием на темпы развития научно-технического прогресса.

Обучение основам нанотехнологии в школе служит целям образования и

воспитания личности: вооружать учащихся знаниями и умениями,

необходимыми для их развития, подготовки к работе и продолжения

образования.

Нанотехнологии это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований. Ее достижения касаются всех сфер жизнедеятельности человека. В результате активной государственной политики в рамках национальной программы по развитию нанотехнологии, а также деятельности средств массовой информации термин «нанотехнология»

приобрел огромную популярность, что, безусловно, сказывается на стремлении абитуриентов получить высшее образование в данной сфере.

Элективный курс «Основы нанотехнологии» направлен на освоение школьниками основных представлений и путей развития нанотехнологий на современном этапе. Создание и ведение курса основы нанотехнологии начиная со школьной скамьи позволит расширить представления будущего абитуриента о наиболее актуальном и перспективном направление развития всех областей знаний как технических, так и гуманитарных.

Данный элективный курс предназначен для школьников 10–11 классов, изучающих физику, химию и биологию на углубленном уровне.

Основной целью преподавания элективного курса является формирование у школьников целостного представления о нанотехнологиях, умений ориентироваться в современных направлениях технического, экономического и социального развития и внедрения наносистем в различных прикладных областях, открывающих большие возможности в изучении, проектировании и разработке новых материалов, а так же способности изучать объекты на наноуровне.

Задачами элективного курса «Основы нанотехнологии» являются:

изучение этапов становления и развития нанотехнологии, ознакомление с предметом и объектом нанотехнологии, ее местом в науке, изучение методов получения нанообъектов и методов изучения их свойств.

После изучения дисциплины школьник должен знать: историю развития нанотехнологий, основные принципы, методы и инструменты нанотехнологии, методики, используемые при создании нанообъектов, свойства нанообъектов и наноматериалов, их применение и перспективы развития данной науки.

После изучения школьник должен уметь: ориентироваться в современных направлениях нанотехнологии, адекватно оценивать возможности нанотехнологии, перспективы ее развития.

РЕКОМЕНДАЦИИ К МЕТОДИКЕ ПРЕПОДАВАНИЯ

Для подготовки специалистов нового уровня необходима новая совокупность ценностей, методов, технических навыков и средств образовательной и научной деятельности. Для создания такой совокупности нужны прорывные достижения, как в науке, так и в учебном процессе.

Важное значение придается самостоятельному выполнению школьниками учебного эксперимента. Проведение учебного эксперимента возможно при выполнении лабораторных работ только при наличии подготовленного помещения площадью не менее 40 м2.

Число указанных в программе фронтальных лабораторных работ, как и демонстраций, является обязательным. Для проведения лабораторных работ необходим комплект оборудования учебных лабораторий по нанотехнологии для кабинетов физики, химии и биологии. Для обучения школьников работе на таком оборудовании необходимо наличие группы специалистов, способных обеспечивать техническое и системное обслуживание оборудования. Проводя эксперимент, преподаватель обязан соблюдать правила техники безопасности, утвержденные Министерством просвещении России.

Для школьников подготовлен курс лекционных, практических и лабораторных занятий по основам нанотехнологий, в конце курса для сдачи экзамена и получения сертификата каждый школьник должен представить свою научно-исследовательскую работу, проводимую на протяжении всего курса обучения.

Решение основных учебно-воспитательных задач достигается на уроках сочетанием разнообразных форм и методов обучения. Большое значение придается самостоятельной работе учащихся: самостоятельному повторению и закреплению основного теоретического материала, выполнению фронтальных лабораторных работ и работ физического практикума, изучению некоторых практических приложений физики, когда теория вопроса уже изучена, применению знаний в процессе решения задач, обобщению и систематизации знаний. Следует уделять больше внимания на уроке работе учащихся с книгой: учебником, справочной литературой, книгой для чтения, хрестоматией и т. п. При работе с учебником необходимо формировать умение выделять в тексте основной материал, видеть и понимать логические связи внутри материала, объяснять изучаемые явления и процессы.

Перечень дисциплин, знание которых необходимо при изучении элективного курса «Основы нанотехнологий».

Наименование дисциплины Наименование разделов (тем) Математика Алгебра и геометрия.

Физика Физические основы.

Химия Химические системы.

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ

1 этап. Лекции. Контроль не проводится. Дается время на усвоение и отработку материала при написании конспектов.

2 этап. Защита конспектов. Эта работа проводится в два этапа. На предыдущем уроке учащиеся получают задание подготовить конспекты к устному рассказу и по каждому конспекту приготовить по 2-3 вопроса и уметь на них отвечать.

На следующем уроке учащимся предлагается письменно ответить на вопросы темы по лекциям.

3 этап. Защита задач Учащимся предлагается 4-5 задач на 45 минут урока. Первые 3 задачи простые, а две последние несколько сложнее. К зачету необходимо сдать учителю тетрадь с задачами, решенными в классе и дома. Без этой тетради учащийся к зачету не допускается.

4 этап. Контрольная работа (2 урока). В контрольную входят:

1. Два вопроса по теории.

2. Три простые задачи 3. Одна сложная задача.

За контрольную выставляют 3 оценки.

5 этап. Коллоквиум. На коллоквиуме учащемуся предлагают один вопрос по теории и одну задача. Сдача проводится индивидуально каждым учащимся.

6 этап. Защита лабораторных работ. Проводится в устной форме индивидуально с каждым учащимся.

7 этап. Итоговая контрольная работа.

Лабораторные работы:

1. Положение нанообъектов на шкале размеров.

2. Особенности получения наноразмерных объектов.

3. Наноэффекты в природе.

4. Нанотехнологии в материаловедении.

5. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента.

6. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии.

7. Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме.

8. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии.

9. Сканирующая зондовая литография.

10. Обработка и количественный анализ СЗМ изображений.

11. Применение сканирующего зондового микроскопа для исследования 12. Изображение микрофлоры воды с помощью сканирующей зондовой микроскопии.

ПРИМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГРАММЫ ПО ЧАСАМ В ТЕЧЕНИЕ

УЧЕБНОГО ГОДА

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

1. Введение в нанотехнологию (28 часов).

Общие сведения о нанотехнологии. История развития нанотехнологий.

Положение нанообъектов на шкале размеров. Особенности получения наноразмерных объектов. Ассемблеры и дизассемблеры. Нанороботы.

Нанотехнологии внутри и снаружи нас. Области использования нанотехнологий. Основные направления нанотехнологии. Мировые тенденции развития нанотехнологии.

2. Особенности наноструктуры (40 часов).

Общая характеристика наноструктур. Особая роль углерода в наномире.

Графен. Фуллерены и их свойства. Углеродные нанотрубки.

Самоорганизация нанообъектов и её использование при создании наноматериалов. Ультрадисперсные наноматериалы. Наноструктурные материалы. Моделирование наноструктур. Дефекты, поверхности раздела, пограничные дислокации. Наноэффекты в природе. Загадки воды.

Наноматериалы и нанотехнологии на стыке наук. Небывалые возможности нанотехнологии.

ПРИМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГРАММЫ ПО ЧАСАМ В ТЕЧЕНИЕ

УЧЕБНОГО ГОДА

1 Инструменты и методы наномира (14 часов).

Микроскопия. Виды микроскопии (оптическая, электронная, сканирующая), преимущества и недостатки, области использования.

Электронная микроскопия. Виды электронных микроскопов (ТЭМ, РЭМ, РТЭМ, ЗЭМ). Принцип действия РЭМ. Применение РЭМ для изучения объектов на наноуровне. Сканирующая микроскопия. Туннельный эффект.

Туннельный сканирующий микроскоп. Принцип действия. Режимы работы ТСМ. Разновидности ТСМ. Применение ТСМ при исследовании нанообъектов. Преимущества и недостатки ТСМ. Атомарное взаимодействие.

Атомный силовой микроскоп. Принцип действия. Виды АСМ.

Наноиндентирование. Сущность процесса наноиндентирования. Нановесы.

Принцип действия нановесов.

2 Получение и свойства нанообъектов (34 часа).

Моделирование наноструктур и программы необходимые для этого.

Механосинтез и нанофабрика. Особенности получения наноструктур.

Методы получения наноструктур. Групповые методы получения наноструктур. Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: метод молекулярных пучков, сверхзвуковое истечение газов из сопла (кластерные пучки большой интенсивности), газофазный синтез (конденсация паров, аэрозольный метод, PVD), ионная бомбардировка, ударные волны (трубы). Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: вакуумное испарение, катодное распыление, низкотемпературная плазма, плазмохимический синтез, получение наночастиц путем диспергирования. Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: сонохимическое диспергирование, механохимический синтез, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, взрывной синтез, электрический взрыв проводников. Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: электроэрозионный метод, осаждение из жидкой фазы (водной, неводной), осаждение из расплавов, кристаллизация и микроликвация, гетерофазный синтез. Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: золь-гель метод, криогенный метод, термическое разложение (пиролиз), селективное травление, восстановление соединений, упорядочение нестехиометрических соединений. Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: получение наночастиц в реакциях, стимулированных высокоэнергетическим излучением, электрохимические методы получения наночастиц, осаждение при сверхкритических условиях, метод шаблонов (темплатный метод), получение наноструктур в нанореакторах. Сущность, регулирование, модификации, преимущества и недостатки, области применения: ДНК-сборка, интенсивная пластическая деформация, ионная имплантация, литографические методы, сборка наноструктур под влиянием механического напряжения (4 часа) 3. Нанотехнологии вокруг нас (10 часов).

Примеры товаров, созданных с использованием нанотехнологий и причины их уникальных свойств. Несмачиваемые и всегда чистые ветровые стёкла, диски колёс и т.п. Созданные на основе наночастиц оксида титана и серебра поверхности, обладающие бактерицидными свойствами.

Нанокомпозитные материалы. Нанотехнологии в различных областях производства. Перспективы мировой наноэкономики.

ПЕРЕЧЕНЬ КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ

п/п 1. Почему освоение наномира может быть так полезно для человечества?

Что такое самоорганизация нанообъектов и каково её использование 4. Дефекты, поверхности раздела, пограничные сегрегации.

5. Что вы понимаете под термином «нанотехнология»?

6. Дайте определение понятию «наноматериалы»?

7. Что такое «мокрая», «сухая» и компьютерная нанотехнология?

8. Озвучьте три основные группы нанотехнологий?

Основные виды инструментов нанотехнологий. Какие виды Электронная микроскопия. Чем ограничена разрешающая способность Какие виды электронных микроскопов вы знаете? Растровый Сканирующая зондовая микроскопия. Основные виды микроскопов Туннельный сканирующий микроскоп. Принцип действия. Режимы 14. Атомный сканирующий микроскоп. Принцип действия. Виды АСМ.

Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля. Принцип 16. Наноиндентирование. Принцип действия.

Моделирование. Какие основные типы математического Как вы видите нанофабрику? Что вы понимаете по термином Методы получения нанотрубок и фуллеренов: электродуговое Методы получения нанотрубок и фуллеренов: лазерное испарение Методы получения нанотрубок и фуллеренов: метод химического Групповые методы получения наноструктур: метод молекулярных Групповые методы получения наноструктур: вакуумное испарение, электрохимические методы получения наночастиц.

Групповые методы получения наноструктур: золь-гель метод, Групповые методы получения наноструктур: восстановление 26.

Групповые методы получения наноструктур: сборка наноструктур под 27. влиянием механического напряжения, сверхзвуковое истечение газов Групповые методы получения наноструктур: ударные волны (трубы), 28.

Групповые методы получения наноструктур: криогенный метод, 29.

Групповые методы получения наноструктур: метод шаблонов 30.

(темплатный метод), селективное травление.

31. самораспространяющийся высокотемпературный синтез, газофазный синтез (конденсация паров, аэрозольный метод).

Групповые методы получения наноструктур: ДНК-сборка, взрывной 32.

Групповые методы получения наноструктур: получение наночастиц 33.

путем диспергирования, интенсивная пластическая деформация.

Групповые методы получения наноструктур: осаждение из расплавов, 34.

Групповые методы получения наноструктур: электрический взрыв 35.

Групповые методы получения наноструктур: плазмохимический 36.

Групповые методы получения наноструктур: осаждение из жидкой 37.

фазы (водной, неводной), получение наноструктур в нанореакторах.

Групповые методы получения наноструктур: упорядочение 38. нестехиометрических соединений, осаждение при сверхкритических 39. Нанохимия. Классификация наночастиц. Строение наструктур.

40. Магнитные и каталитические свойства нанообъектов.

41. Приведите несколько примеров использования наноматериалов.

ЛИТЕРАТУРА

3.1. Список литературы для учителя:

1. М. Рыбалкина: «Нанотехнологии для всех»

2. «Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007.

3. Учебное пособие: «Методы получения и свойства нанообъектов» / Н.И. Минько, В.В. Строкова, И.В. Жерновский, В.М. Нарцев. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. – 148 с.

4. Нанотехнологии: учебное пособие: пер. с англ. / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. – 2-е изд., доп. – М.: Техносфера, 2005. – 334 с.

5. Методы получения и свойства нанообъектов: монография/ Н.И.

Минько, В.М. Нарцев. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2005. – 6. Нанотехнологии: учебное пособие: пер. с англ. / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. – 2-е изд., доп. – М.: Техносфера, 2005. – 334 с.

7. Нанотехнологии – производству 2005: Труды Международной научно-практической конференции, Россия, Московская область, г.

Фрязино 30 ноября – 1 декабря 2005 г. – М.: Концерн «Наноиндустрия», Янус-К, 2005. – 340 с.

8. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса.

– М.: Мир, 2002. – 291 с.

9. Ратнер М. Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 10. «Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника».

Сборник статей под редакцией П.П. Мальцева, М., Техносфера, 2006.

11. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. «Наноструктурные материалы», М., Академия, 2005.

12. Кобаяси Н., «Введение в Нанотехнологию», изд-во Бином, 2005.

13. Ратнер М., Ратнер Д. «Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи», Изд-во «Вильямс», 2005.

14. Э. Дрекслер «Машины созидания».

15. Гусев А.И. « Нанокристаллические материалы, методы получения и свойства», Екатерианбург: УРО РАН, 1998.

3.1. Список литературы для ученика:

1. «Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007.

2. Учебное пособие: «Методы получения и свойства нанообъектов» / Н.И. Минько, В.В. Строкова, И.В. Жерновский, В.М. Нарцев. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. – 148 с.

3. Нанотехнологии: учебное пособие: пер. с англ. / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. – 2-е изд., доп. – М.: Техносфера, 2005. – 334 с.