Программа элективного курса "Основы нанотехнологий"

Автономная  организация образования «Назарбаев Интеллектуальные школы»

Назарбаев Интеллектуальная школа физико-математического направления г. Актобе

«РЕКОМЕНДОВАНО»                                                                                                                              «УТВЕРЖДАЮ»

             МС Протокол №____                                                                                                                               Директор школы Умербекова С. Р.

«__»__сентября___2015 г.                                                                                                                               «_____»______________2015 г.

_______________________

ОСНОВЫ  НАНОТЕХНОЛОГИЙ

                                                                                                 ( 9 КЛАСС, 68 ЧАСОВ)

                                                                                                                                                     Разработана: Жарко С. Г.

                                                                                                                                                                 учитель физики

                                                                                                                        2015

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

     Широкое практическое использование нанотехнологий является важнейшим стратегическим направлением развития высокотехнологичных производств и освоения на новой основе подходов к инновационному преобразованию промышленности.

      В широком смысле нанотехнология – это продукт интеграции фундаментальных наук: физики, химии, биологии, излагаемых через призму идеи квантования и квантового взаимодействия. В действующих программах дисциплин «Физика», «Химия», «Биология» для средней общеобразовательной школы нет ни одной темы, посвященной ознакомлению с нанотехнологиями.                               

       Данная программа позволят не только ознакомить учащихся с современными достижениями науки, но и будет способствовать профессиональной ориентации выпускников школ.  Любая информация о новых результатах может устареть в течение полугода. Таким образом, следует обучать лишь общим принципам, которые не устареют в обозримом будущем. И главным результатом обучения должна быть не сумма переданных знаний (т.е. информации), а развитие мышления учащихся, формирование у него представления о фундаментальном единстве естественных наук, незавершенности естествознания и возможности его дальнейшего развития, о возможности использования нанотехнологий для реализации потребностей человечества. При этом неукоснительно должны соблюдаться важнейшие принципы изложения материала: доступность для понимания и занимательность.

      Целью предлагаемого курса, является пробуждение в школьнике желания познать больше, самостоятельно дополнить свои знания, а также прийти к мысли о важности фундаментальных естественных наук, их взаимосвязи между собой и практическом использовании в технике.

      Задачами элективного курса являются:

     1. Сформировать понятия «нанотехнология», «наноструктурирование», «наоэлектроника», «нанохимия», «нанооптика»; показать междисциплинарный характер этого направления науки, его перспективы для реализации потребностей человечества.

    2. Обосновать фундаментальные принципы, лежащие в основе применения нанотехнологий. Квантование – всеобщий дискретный характер взаимодействия. Молекулярное распознавание – способность молекул притягивать и связывать вполне определенные другие молекулы. Самоорганизация (самосборка) – как следствие принципов равновесия систем, опирающихся на достижение минимума свободной энергии.

    3. Познакомить учащихся с основными инструментами исследования нанотехнологических процессов: электронной микроскопией высокого разрешения, атомной силовой, туннельной и другими видами микроскопии; оптической спектроскопией и ее возможностями в мире нанотехнологий.

    4. Познакомить учащихся с основными направлениями прикладной нанотехнологии: наноэлектроника, нанооптика, сенсорами и датчиками, биосенсорами, биочипами – лабораториями, построенными на микроуровне и использующими достижения нанотехнологии (создание новых материалов, биосенсоров, биоэлектронных устройств, наномашин с биологическими компонентами, биороботов для внутриклеточных манипуляций и доставки веществ (гормонов, ферментов и др.) внутрь клетки).

    5. Познакомить учащихся с различными направлениями наноматериаловедения: нанопорошками, полупроводниковыми устройствами, углеродными материалами (нанотрубками, кольцами, фуллеренами), высокопрочными нанокристаллическими и аморфными материалами, негорючими нанокомпозитами на полимерной основе, материалами для изготовления устройств сверхплотной записи информации, нанопористыми материалами для химической и нефтехимической промышленности, топливными элементами, электрическими аккумуляторами и другими преобразователями энергии, устройствами для хранения энергии, полимерными материалами. Показать возможность распространения методов нанотехнологии в область живой материи - фармацевтика, целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов, регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

    6. В заключение курса необходимо продемонстрировать взаимосвязанность и взаимообусловленность естественных и технических наук, синергетику их интеграции в нанотехнологиях.

      При проведении занятий используются такие формы как лекции, семинары, лабораторных работ.  К семинарам учащиеся с помощью преподавателя находят информацию, касающуюся темы семинара, из научно-популярной литературы и сайтов Интернета. Работа учащихся по этому курсу оценивается в конце года по результатам зачёта, при этом  оцениваются творческие задания или проекты.

     Курс нанотехнологии тесно связан с такими школьными дисциплинами как физика, химия, биология. Успешному освоению дисциплины способствует хорошее знание математики, владение компьютерными технологиями.

     Процесс обучения организован на базе кабинета нанотехнологии, имеющего атомно-силовой микроскоп, различные наборы, позволяющие провести элементарные практические исследования.

                                                                 КАЛЕНДАРНО - ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

№ п/п	Колич. часов	Содержание материала	Дата
1	2	Введение. Три научно-технические революции. Вчера, сегодня и завтра.Что такое нанотехнологии?
2	2	Квантовые эффекты в нанотехнологиях. Возникновение квантовой механики. Понятие волн де Бройля.
3	2	Энергетические зоны. Потенциальный барьер и квантовая яма. Туннельный эффект.
4	2	Классификация наноматериалов. Наночастицы. Фуллерены.
5	2	Нанотрубки и нановолокна. Нанопористые вещества. Нанодисперсии. Наноструктурированные поверхности и пленки. Нанокристаллические материалы.
6	2	Практическая работа №1. Эксперименты с использованием наноразмерных систем.
7	2	Технологии получения наноматериалов. Литография. Эпитаксия.
8	2	Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем. Использование самоорганизации в нанотехнологиях
9	2	Инструменты нанотехнологий. Электронная просвечивающая микроскопия. Электронная сканирующая микроскопия. Полевая ионная микроскопия.
10	2	Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующая туннельная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия. Зондовая нанолитография.
11	6	Практическая работа №2. Использование сканирующего зондового микроскопа для исследований в нанотехнологиях
12	2	Нанокластеры. Квантовые точки. Методы получения кластеров, магические числа.
13	2	Квантовые точки, роль процессов самоорганизации. Методы модификации свойств кластеров. Области применения кластеров.
14	2	Углеродные наноструктуры. Структуры на основе углерода. Получение углеродных наноструктур.
15	2	Механические свойства углеродных наноструктур. Химические свойства углеродных трубок. Электрические свойства углеродных нанотрубок. Применение углеродных нанотрубок.
16	4	Экскурсия в лабораторию «Нанотехнологии» АРГУ.
17	2	Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки. Сверхрешетки. Дифракция на одномерной, двумерной, трехмерной сверхрешетке. Зонная теория.
18	2	Оптоэлектроника. Получение фотонных кристаллов. Применение фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы в природе.
19	2	Наноэлектроника.Электронные приборы на основе нанообъектов. Одноэлектронный транзистор.
20	2	Резонанстно-тунельный диод. Нанокомпьютеры.Квантовая оптоэлектроника. Светодиоды. Лазеры.
21	2	Лабораторная работа № 3. Эксперименты по электрическим свойствам нанообъектов.
22	2	Понятие о микроэлектромеханических системах. Элементы микроэлектромеханических систем. Мембранные силовые элементы. Силовые элементы МЭМС на основе углеродных нанотрубок.
23	2	Нанотехнологии вокруг нас. Нанопокрытия. Катализаторы и фильтры. Нанотехнологии в медицине.
24	2	Нанотехнологии в парфюмерии и пищевой промышленности. Нанотехнологии используемые при производстве спортивных товаров. Одежда и обувь. Нанотехнологии в военном деле.
25	2	Ближайшие перспективы нанотехнологий. Использование нанотехнологий в биофизике. Создание материалов с «памятью», самозалечивающихся   материалов, роботов, имплантирующих устройств разнообразного назначения.
26	4	Экскурсия в лабораторию «Нанотехнологии» АРГУ.
27	2	Возможные опасные для общества моменты развития, связанные с неконтролируемым развитием нанотехнологий.
28	4	Заключительная конференция по изученному курсу. Оценка представленных проектов.
29	2	Зачет по основным вопросам курса.
		ИТОГО: 68 часов

РАЗВЕРНУТЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН

№	Содержание занятия	Цели обучения	Виды деятельности	Ресурсы обучения	Рефлексия
1	Введение. Три научно-технические революции. Вчера, сегодня и завтра. Что такое нанотехнологии?	Дать определение понятию «нанотехнология»,сформировать знания о НТР.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Семинарское занятие.
2	Квантовые эффекты в нанотехнологиях. Возникновение квантовой механики. Понятие волн де Бройля. Энергетические зоны. Потенциальный барьер и квантовая яма. Туннельный эффект.	Показать влияние квантовых эффектов на объекты изучаемые в нанотехнологиях	Лекция, семинарское занятие, решение задач.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Решение задач с использованием квантовых эффектов
3	Классификация наноматериалов Наночастицы. Фуллерены. Нанотрубки и нановолокна. Нанопористые вещества. Нанодисперсии. Наноструктуриров. поверхности и пленки. Нанокристаллические материалы.	Сформировать знания об основных объектах, изучаемых в наномире, ввести их характерные признаки.	Лекция. Семинарское занятие. Практическая работа.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска, лабораторный набор.	Отчет о проведенной лабораторной работе
4	Технологии получения наноматериалов Литография. Эпитаксия. Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем. Использование самоорганизации в нанотехнологиях	Рассмотреть основные способы получения наноматериалов, подчеркнуть важность процессов самоорганизации в этих технологиях.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Семинарское занятие.
5	Инструменты нанотехнологий Электронная просвечивающая микроскопия. Электронная сканирующая микроскопия. Полевая ионная микроскопия. Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующая туннельная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия. Зондовая нанолитографи.	Сформировать знания  об основных инструментах нанотехнологий. Показать разницу между просвечивающей и сканизующей микроскопией, отметив преимущества и недостатки той и другой.	Лекция. Семинарское занятие. Защита проектов	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска, учебный сканирующий зондовый микроскоп.	Отчет по итогам практического  занятия»Работа с электронным микроскопом»
6	Нанокластеры. Квантовые точки Методы получения кластеров, магические числа. Квантовые точки, роль процессов самоорганизации. Методы модификации свойств кластеров. Области применения кластеров.	Дать определение и рассмотреть способы получения таких объектов, как кластеры и квантовые точки, обратить внимание учащихся на процессы самоорганизаци.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Семинарское занятие.
7	Углеродные наноструктуры Структуры на основе углерода. Получение углеродных наноструктур. Механические свойства углеродных наноструктур. Химические свойства углеродных трубок. Электрические свойства углеродных нанотрубок. Применение углеродных нанотрубок.	Отметить особую роль углерода в нанотехнологиях,рассмотреть его классификацию, выяснить химические и физические свойства этих структур.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска, экскурсия в лабораторию «Нанотехнологии»	Отчет по посещению нанолаборатори
8	Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки Сверхрешетки. Дифракция на одномерной, двумерной, трехмерной сверхрешетке. Зонная теория. Оптоэлектроника. Получение фотонных кристаллов. Применение фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы в природе.	Ввести понятие фотонных кристаллов и сверхрешеток, провести аналогию между оптической решеткой и квантовой, рассмотреть способы их получения.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Семинарское занятие.
9	Наноэлектроника Электронные приборы на основе нанообъектов. Одноэлектронный транзистор. Резонанстно-тунельный диод. Нанокомпьютеры. Квантовая оптоэлектроника. Светодиоды. Лазеры.	Познакомить учащихся с физическими принципами работы электронных приборов, показать те преимущества, которые получаем от наноэлектронике.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Отчет о проведенной лабораторной работе
10	Понятие о микроэлектромеха-нических системах Элементы микроэлектромеханичес-ких систем. Мембранные силовые элементы. Силовые элементы МЭМС на основе углеродных нанотрубок.	Показать возможность использования продуктов нанотехнологий в миниатюрных механических системах, продемонстрировать их работу.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Семинарское занятие.
11	Нанотехнологии вокруг нас Нанопокрытия. Катализаторы и фильтры. Нанотехнологии в медицине. Нанотехнологии в парфюмерии и пищевой промышленности. Нанотехнологии используемые при производстве спортивных товаров. Одежда и обувь. Нанотехнологии в военном деле.	Рассмотреть практическое применение продукции нанотехнологии в окружающем нас мире.	Лекция. Семинарское занятие. Практическая работа	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска, лабораторный набор.	Отчет о проведенной лабораторной работе
12	Ближайшие перспективы нанотехнологий Использование нанотехнологий в биофизике. Создание материалов с «памятью», самозалечивающихся   материалов, роботов, имплантирующих устройств разнообразного назначения.	Показать возможные пути внедрения продуктов нанотехнологии в нашу жизнь	Лекция. Семинарское занятие. Защита презентаций.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска, экскурсия в лабораторию «Нанотехнологии»АРГУ.	Отчет по посещению нанолаборатори
13	Возможные опасные для общества моменты развития, связанные с неконтролируемым развитием	На примерах из истории развития науки, сформировать у учащихся понимание того, что всякое новое открытие может быть направленно не только на благо человека но и во вред ему.	Лекция. Семинарское занятие.	Литература и интернет ресурсы, интерактивная доска.	Зачет по теме

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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

 2.«Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника». Сборник статей под редакциейП.П. Мальцева, М., Техносфера, 2006.

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

 4. Андрюшин Е.А. «Сила нанотехнологий: наука & бизнес», М., Фонд «Успехи физики», 2007.
 5. Кобаяси Н., Введение в Нанотехнологию, изд-во Бином, 2005.
 6. Пул Ч., Оуэнс Ф. «Нанотехнологии», М., Техносфера, 2006. 7.Ратнер М., Ратнер Д. «Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи», Изд-во «Вильямс», 2005.
 8.Харрис П. «Углеродные нанотрубы и родственные структуры», М., Техносфера, 2003.


                                                                                             Интернет-сайты

http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях  в России

http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»

http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках

http://www.nanorf.ru/ - журнал «Российские нанотехнологии»