Исследовательская работа по физике "Разработка методического пособия для физического практикума «Получение наноплёнок»"

Х Городская научно-практическая конференция

«Старт – 2022»

Разработка методического пособия для физического практикума

«Получение наноплёнок»

Автор:

Семенова Дарья Константиновна

МАОУ СОШ №68 города Тюмени

10 «В» класс

Научный руководитель:

Леснова Елена Юрьевна

Учитель физики

г. Тюмень, 2022

Разработка методического пособия для физического практикума

«Получение нанопленок»

Семенова Дарья Константиновна

МАОУ СОШ №68 города Тюмени

Аннотация

Цель моего проекта заключается в разработке методического пособия для физического практикума «Получение нанопленок», для того, чтобы учащиеся 10-х классов могли использовать его на уроках физики во время физического практикума. Актуальность моей работы заключается в том, что нанотехнологии это многообещающая область деятельности, результаты которой должны затронуть все сферы жизни общества, поэтому, нанотехнология считается одной и ключевых технологий XXI в.. Исходя из задач, я изучила теоретический материал по способам получения и применения нанопленок в различных источниках, изучила методы получения нанопленок и как получить их экспериментально, а также разработала методическое пособие для физического практикума «Получение нанопленок». Изучив всю информацию, поняла, что для моего проекта более оптимален «Метод капель». Для проведения эксперимента, я взяла две жидкости: масло и нефть. Проделав все необходимые манипуляции, я получила нанопленки, определила их толщину. По окончанию эксперимента выяснилось, что толщина нанопленки масла равна 120нм, а толщина нанопленки нефти равна 40 нм. Из всего вышеперечисленного, я сделала вывод, что я изучила теорию по получению нанопленок. Получила нанопленки масла и нефти и определила их толщину: толщина масла 120 нм, толшина нефти 40нм. Разработала методическое пособие для физического практикума, которое в мае месяце будет использоваться на уроках физики в 10бв классах.

Практическая значимость моего исследования состоит в том, что мною составлено методическое пособие для физического практикума, которое будет использовано в этом учебном году на уроках физике в 10-х классах

Содержание

Введение. ……………………………………………………………………………………...4-5

Глава 1: Теоретическое обоснование………………………………………………………...6

1.1 Что такое нанопленки?............................................................................................................6

1.2 Свойства нанопленок………………………………………………………………………..6

1.3 Методы получения нанопленок………………………………………………………..…6-7

1.4 Области применения нанопленок…………………………………………………………..7

1.5 Способы определения размеров молекул………………………………………………7-11

Глава 2: Практическое получение. ………………………………………………………...12

2.1 Практическое получение нанопленок………..………………………………………..12-13

2.2 Разработка методического пособия……………………………………………………13-14

Глава 3: Заключение. ………………………………………………………………………...15

Список использованной литературы………………………………………………………….16

Разработка методического пособия для физического практикума

«Получение нанопленок»

Семенова Дарья Константиновна

МАОУ СОШ №68 города Тюмени

Введение

Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах.

Слово "нано" означает карлик(греч). В настоящее время мы имеем дело с множеством слов, которые содержат это слово: наноматериалы, нанотехнологии

Нанотехнология это многообещающая область деятельности, результаты которой должны затронуть все сферы жизни общества. По этой причине нанотехнология считается одной из ключевых технологий XXI в., которая призвана повлиять на развитие не только одной отдельной индустрии или отдельного рынка, - она создаст новые возможности для производства материалов, инструментов, в сфере здравоохранения, электроники, обороны, сенсорных технологий и т.д. Учёные и инженеры убеждены, что нанотехнологии - это будущее человечества, они способны изменить историю.

В этом году нашему физико-математическому классу предстоит выполнить физический практикум в конце учебного года. Поэтому целью моей работы стало «разработка методического пособия для своих одноклассников по теме: «получение нанопленок»

Цель: Разработка методического пособия для физического практикума «Получение нанопленок»

Задачи:

Изучить теоретический материал по способам получения и применения нанопленок.

Экспериментально получить нанопленки и измерить их толщину.

Разработать методическое пособие для физического практикума «Получение нанопленок»

Объект исследования: Нанопленки.

Предмет исследования: Методы получения нанопленок.

Методы исследования: Наблюдение, измерение, проектирование и эксперимент.

Разработка методического пособия для физического практикума

«Получение нанопленок»

Семенова Дарья Константиновна

МАОУ СОШ №68 города Тюмени

1.1 Что такое нанопленки?

Наноплёнки - тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон

Наноплёнки могут быть твёрдыми или жидкими (реже — газообразными). Состав, структура и свойства наноплёнок могут отличаться от таковых для объемной фазы, из которой образовалась тонкая плёнка.

К твёрдым наноплёнкам относятся оксидные плёнки на поверхности металлов и искусственные плёночные покрытия, формируемые на различных материалах с целью создания приборов микроэлектроники, предотвращения коррозии, улучшения внешнего вида и т. п.

1.2 Свойства нанопленок

Объекты, имеющие столь малые размеры, в ряде случаев кардинально меняют свои свойства. Например, у столь малых объектов меняется температура плавления, степень переохлаждения и межплоскостное расстояние по сравнению с массивными объектами. Многие функциональные покрытия имеют ограничения по толщине, свыше которой теряют свои свойства либо разрушаются при нанесении.

Изменение свойств объясняется увеличением роли поверхности с уменьшением объекта, поскольку объём тела изменяется пропорционально кубу линейных размеров, а площадь поверхности — квадрату.

1.3 Методы получения нанопленок

-химическое и плазмохимическое осаждение из газовой фазы

-процессы вакуумного напыления

-вакуумное термическое распыление

-магнетронное распыление

-вакуумно-дуговое нанесение

-ионно-лучевое осаждение

-электронно-лучевое осаждение

-метод капель

В своей работе я буду использовать метод капель, он более прост для получения нанопленок в школьных условиях.

1.4 Области применения нанопленок

Наноиндустрия. Электронная техника (Тонкие плёнки используются в интегральных микросхемах, СВЧ устройствах, при создании дискретных электронных элементов);

Промышленность.

Металлообработка - на современный инструмент наносят различные

1.      функциональные покрытия, обеспечивающие его износостойкость;

2.      Нанесение декоративных и защитных покрытий;

3.      Техника высокого вакуума.

Оптика — получение просветляющих и отражающих покрытий.

1.5 Способы определения размеров молекул

1 способ. Основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N.

Число молекул в теле массой m равно, как известно,

,

где М-молярная масса вещества NA-число Авогадро.

Отсюда объем V0 одной молекулы определяется из равенства

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе.

Обратное же отношение

Есть плотность вещества, так что

Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.

Объем одной молекулы, если считать ее шариком, равен

,
где r - радиус шарика.

Число молекул в теле массой m равно, как известно,

,
где М -молярная масса вещества NA - число Авогадро.

Отсюда объем V0 одной молекулы определяется из равенства

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе.

Обратное же отношение

есть плотность вещества,

так что

Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.

Объем одной молекулы, если считать ее шариком, равен

,

где r - радиус шарика.

Поэтому

,

откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:

Первый из этих двух корней — постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10-9 моль 1/3, поэтому формула для r принимает вид .

Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен rВ ≈ 1,9 · 10-10 м.

Описанный способ определения радиусов молекул не может быть точным уже потому, что шарики нельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул – шариков были бы невозможны молекулярные движения. Тем не менее, вычисления размеров молекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами других методов, несравненно более точных.

2 способ. Метод Ленгмюра и Дево. В данном методе исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется в воде, а исследуемая жидкость образует пятно площадью S и толщиной d (порядка диаметра молекул).

Если допустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен:

где d – молекулы.

Необходимо определить диаметр молекулы d. В микропипетку набрать 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитать число капель n, содержащихся в этом объеме. Проделав опыт несколько раз, найти среднее значение числа капель в объеме 0,5 мл, а затем подсчитать объём исследуемой жидкости в капле: , где n – число капель в объеме 0,5 мл, 1:400 – концентрация раствора.

В ванну налить воду толщиной 1 – 2 см. Насыпать тальк тонким слоем на лист бумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбоку от ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуть с бумаги. На поверхность воды в ванне из пипетки капнуть одну каплю раствора. Линейкой измерить, средний диаметр образовавшегося пятна D и подсчитываю его площадь. Опыт повторить 2- 3 раза, а затем подсчитать диаметр молекул d.

3 способ. Определение диаметра молекулы. Будем считать, что капля масла растекается по воде до тех пор, пока толщина масляной плёнки не станет равной одной молекуле, тогда диаметр одной молекулы можно определить по формуле: d=V/S, где V – объём капли масла, S - площадь масленого пятна.

Объём капли масла можно определить следующим образом: накапать 100 капель из капилляра в сосуд и измерить массу масла в нём. После этого массу, выраженную в килограммах, поделить на плотность масла, которую можно взять из таблицы плотности некоторых веществ (плотность масла растительного 800 кг/м3).

Затем полученный результат поделить на количество капель. Объём капли можно определить также с помощью мерного цилиндра: накапать масло в цилиндр, измерить его объём в см3 и перевести в м3, для чего поделить на 1000000, затем на количество капель масла. После того, как объём капли стал известен нужно капнуть одну каплю масла на поверхность воды, которая налита в широкий сосуд.

Для ускорения реакции предварительно немного нужно нагреть воду – приблизительно до 400С. Масло начнёт растекаться, и в результате получится круглое пятно. После того, как пятно перестанет расширяться, с помощью линейки измерить его диаметр и рассчитать площадь пятна по формуле:

Разработка методического пособия для физического практикума

«Получение нанопленок»

Семенова Дарья Константиновна

МАОУ СОШ №68 города Тюмени

Практическое обоснование вопроса

2.1 Получение нанопленок

Цель: самостоятельно получить нанопленки для нефти и масла и рассчитать ее толщину.

Оборудование: весы, пипетка, масло, нефть.

Ход работы:        

1) Определение объёма капли

=14,13 мм3;

2) Определение объёма капли путём взвешивания.

1. На весы накапали 10 капель растительного масла, измерили массу

mk=0,2 г

·         Масса 1 капли m1=0,2 г/10=0,02 г

·         Определение объёма капли V=m1/q=0,01г/0,8 г/см3=13 мм3

3) Определяем площадь пятна Sмасла=ПR²=11304 мм2

4) Площадь пятна нефти Sнефти=20*16=32000 мм2

5) Определяем толщину плёнки h=V/S

Для масла h=13/11304=1,2*10-7=120 нм

Для нефтиh=13/32000=4*10-8 м=40 нм

Вывод: В лабораторных условиях можно получать нанопленки используя весы и пипетку и рассчитать их толщину. Толщина масла 120 нм, нефти 40нм

2.2 Разработка методического пособия

Цель: Разработка методического пособия для физического практикума «Получение нанопленок»

Оборудование: Весы, пипетка, масло, нефть.

Теоретическое обоснование:

Наноплёнки- тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон

Наноплёнки могут быть твёрдыми или жидкими (реже — газообразными). Состав, структура и свойства наноплёнок могут отличаться от таковых для объемной фазы, из которой образовалась тонкая плёнка. Многие функциональные покрытия имеют ограничения по толщине, свыше которой теряют свои свойства либо разрушаются при нанесении.

Изменение свойств объясняется увеличением роли поверхности с уменьшением объекта, поскольку объём тела изменяется пропорционально кубу линейных размеров, а площадь поверхности — квадрату

Методы получения нанопленок:

-химическое и плазмохимическое осаждение из газовой фазы

-процессы вакуумного напыления

-вакуумное термическое распыление

-магнетронное распыление

-вакуумно-дуговое нанесение

-ионно-лучевое осаждение

-электронно-лучевое осаждение

-метод капель

Определение объёма капли:  .

Определение объема капли: V=m1/q

Масса 1 капли:m1=0,2 г/10=0,02 г.

Площадь пятна: S=ПR² .

Порядок выполнения работы:

1. Ставим на стол весы, и с помощью пипетки капаем 10 капель масла/нефти.

2. Измеряем массу и объём капли.

3. Определяем площадь пятна масла/нефти.

4. Вычисляем толщину плёнки.

5. Полученные результаты систематизируем.

6. Результаты измерений и вычислений заносим в обобщающую таблицу.

7. Делаем вывод.

Контрольные вопросы:

1.Что вы понимаете под термином «Нанопленки»?

2.Какие методы используются для получения нанопленок?

3.Какие свойства нанопленок вы знаете?

4.Какие области применения нанопленок существуют?

Разработка методического пособия для физического практикума

«Получение нанопленок»

Семенова Дарья Константиновна

МАОУ СОШ №68 города Тюмени

Заключение

Я изучила теорию по получению нанопленок. Получила нанопленки масла и нефти и определила их толщину: толщина масла 120 нм, толщина нефти 40нм. Разработала методическое пособие для физического практикума, которое в мае месяце будет использоваться на уроках физики в 10бв классах

Практическая значимость моего исследования состоит в том, что мною составлено методическое пособие для физического практикума, которое будет использовано в этом учебном году на уроках физике в 10-х классах

Мы измерили толщину наноплёнок масла и нефти, изучили физические свойства плёнок и методы их получения, также ознакомились с физическими методами исследования микро- и наномасшатабных объектов.

К сожалению, из таких жидкостей как кислоты моющие средства и мыло у нас не получилось сделать нанопленки, потому что все эти жидкости гидрофобные. Мы пытались получить пленки с помощью скотча, но электронные весы позволяют измерять массу с точностью до десятых долей грамма.

Список использованной литературы

1.       Деффейс К., Деффейс С. Удивительные наноструктуры / пер. с англ. - М.: Бином, 2011.

2.      Блудов М.И. Беседы по физике. М.: Просвещение, 1984.

3.      Буров В.А. Практикум по физике в средней школе. М.: Просвещение, 1973.

4.       http://nano-edu.ulsu.ru

5.      https://extxe.com/14972/nanotehnologii-i-nanomaterialy-2/