Методика проведения лекционных занятий по разделу "Наноматериалы и нанотехнологии" при изучении дисциплины "Материаловедение"

2.4 Планы-конспекты занятий

План- конспект занятия № 1.

Тема: Введение в наномир.

Цель: Предоставить информацию о истории развития нанотехнологий.

Задачи:

- Обучающая: Дать понятия о нанотехнологиях.

- Развивающая: развивать у учащихся память, логическое мышление, трудовые навыки, интерес к предмету.

- Воспитывающая: способствовать воспитанию целеустремленности, инициативы, самостоятельности; умению логически мыслить, самостоятельно высказывать и отстаивать свою точку зрения; сознательной дисциплины.

Тип занятия: Лекция.

Оснащение:

- МТО: компьютер

- МО: Конспект занятия, учебное пособие "Голубая мечта Доналда Рамсфелда" Аксёнов П.Н.

Структура занятия:

1.                Организационный этап(2-3 минуты)

2.                Этап объяснения нового материала (55 минут)

3.                Этап закрепления изученного материала (15 минут)

4.                Заключительный этап (5 минут).

Ход занятия:

1. Организационный момент.

Преподаватель приветствует студентов. Происходит отметка присутствующих на занятии и постановка темы занятия.

2.Этап объяснения нового материала

Преподаватель:

Английский термин "Nanotechnology" был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х гг. прошлого века и использован в докладе "Об основных принципах нанотехнологии" (On the Basic Concept of Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до начала масштабных работ в этой области[4, С. 10-17]. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода "нанотехнология", поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.

Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10–9м = 106 мм = 10–3 мкм). Сама десятичная приставка "нано-" происходит от греческого слова νανοσ – "карлик" и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта. Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Данная технология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией. Наноструктуры, построенные "из первых принципов", с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженериии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) (см. Приложение 1)

Наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Нанотехнологии - это принципиально новый, надотраслевой приоритет, он един для всех отраслей науки и промышленности. Фактически переход к нанотехнологиям знаменует переход цивилизации в ближайшие 10-20 лет к принципиально новому экономическому укладу.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

·                     изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

·                     разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

·                     непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Сегодня львиная доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов и загрязнение окружающей среды. Если же мы будем целенаправленно создавать необходимые нам материальные объекты, конструируя их из атомов и молекул, с помощью нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.

Таким образом, нанотехнологии - это, во-первых, технологии атомарного конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организации научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого "нано" - карлик) равен одной миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру[17].

Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших заглянуть в наномир.

1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953 г., изобрел фазово-контрастный микроскоп - вариант оптического микроскопа, улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение фирме "Цейс", но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня такие микроскопы активно применяются в медицине.

1939 г. Компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с лекцией на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. В этом докладе, названном "На дне много места", он выразил идею "управления и контроля материалов на микроскопическом уровне", подчеркивая, что речь идет не только о миниатюризации, но и о таких возможностях, как размещение всей Британской Энциклопедии на кончике булавки. По мнению Ричарда, достигнуть этого можно уменьшая обычные размеры в 25 000 раз без потери разрешения. Он предполагал, что используя подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. "Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами свойства размерности, несмотря на то, что речь идет об атомном уровне".

Хотя Фейман никогда не упоминал понятие "нанотехнологии", он обратил внимание на возможность создания микроскопических приборов и невероятно маленьких компьютеров, которые как хирурги могли бы проникать в наши тела и выполнять определенные задачи. Многие ученые восприняли идеи Ричарда как шутку, учитывая его знаменитое чувство юмора. Однако, он предложил награду в 1000$ тому, кто первым уменьшит страницу к 1/25 000 ее первоначального размера так, чтобы ее можно было прочитать с помощью электронного микроскопа. В 1985 году выпускник Стэнфорда Том Ньюмэн, используя электронный луч, записал первую страницу "Истории двух городов" Чарльза Диккенса на кончике булавки. Отправив результаты своего труда Фейману, он в течение двух недель получил от него чек.

Многие ученые до сих пор удивляются, на сколько точны были предположения Ричарда Феймана. В своей оригинальной речи он подчеркивал те огромные возможности, появляющиеся при работе на молекулярном уровне. Фейман хотел подтолкнуть людей в нужном направлении, чтобы в будущем, "Оглядываясь на наше время, — говорил он, — Все удивлялись, почему только в 1960 году кто-либо начал серьезно задумываться над этим вопросом".

3.Этап закрепления изученного материала.

Преподаватель: теперь давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили.

Преподаватель задает вопросы по теме занятия, а учащиеся отвечают. Список основных вопросов – Что такое нанотехнологии, определение наноматериалы, в каком году был выпущен коммерческий электронный микроскоп.

4.Заключительный этап.

Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены на лабораторной работе.

План- конспект занятия № 2.

Тема: Наноматериалы и технологии их получения.

Цель: Предоставить учащимся информацию информацию о технологиях получения наноматериалов.

Задачи:

- Обучающая: Сформировать представление о наноматериалах, их разнообразии, технологиях получения и уникальных свойствах. Познакомить учащихся с разнообразием наноматериалов и их свойствами.

- Развивающая: развивать у учащихся память, логическое мышление, трудовые навыки, интерес к предмету.

- Воспитывающая: способствовать воспитанию: целеустремленности, инициативы, самостоятельности, умение логически мыслить, самостоятельно высказывать и отстаивать свою точку зрения, сознательной дисциплины, усердие.

Тип занятия: Комбинированный.

Оснащение:

- МТО: компьютер, проектор просмотр презентации 1.

- МО: Конспект занятия, учебное пособие "Очарование нанотехнологии" Хартманн У.Г.

Структура занятия:

1. Организационный этап(2-3 минуты)

2.                Этап объяснения нового материала (55 минут)

3.                Проведение теста (10 минут)

4.                Этап закрепления изученного материала (15 минут)

5.                Заключительный этап (5 минут).

Ход занятия:

1. Организационный момент.

Преподаватель приветствует студентов. Происходит отметка присутствующих на занятии и постановка темы занятия.

2.Этап объяснения нового материала

Обсуждение вопроса о классификации наноматериалов нужно начать с экскурса в развитие человеческой цивилизации, тесно связанное с освоением новых материалов и технологий их получения. Определения понятий "структура" и "наноматериалы" имеет смысл продиктовать учащимся для записи. Важно обратить внимание учащихся на взаимосвязь между размерами вещества и его свойствами, особенно при достижении размеров частиц менее 100 нм. Изменения свойств связаны с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов. (приложение 2).

Излагая материал о разнообразии наноматериалов, важно отметить, что современная наука выделяет следующие виды наноматериалов: наночастицы, фуллерены, нанотрубки и нановолокна, нанопористые структуры, нанодисперсии, наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллические материалы.

Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из 108 или меньшего количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов. Наночастицы, размер которых меньше 5-10 нм, называют нанокластерами. Слово "кластер" произошло от англ. cluster – скопление, гроздь. Обычно в нанокластере содержится до 1000 атомов.

Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие собой шароподобные каркасные структуры, напоминающие футбольный мяч. Фуллерены получили свое название в честь архитектора Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре.

В 1991 году были обнаружены длинные углеродные структуры, получившие название нанотрубок. Нанопористые вещества представляют собой пористые вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся в пределах 1-100 нм. При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.

Нанодисперсии – системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами. Сегодня нанодисперсии в основном применяются в медицине и косметике.

Пленки, или слои, собранные из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами. Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки называют пленками Ленгмюра – Блоджетта. Гетероструктура может состоять из последовательности десятков полупроводниковых слоев толщиной в несколько нанометров. Полупроводниковые гетероструктуры используются для создания ярких светодиодов, лазеров и других полупроводниковых приборов современной микроэлектроники.

Важно обратить внимание учащихся на то, что российский ученый Ж.И. Алферов в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике за разработку технологий создания гетероструктур. Гетероструктуры создают методом молекулярно-лучевой, газофазной, жидкостной эпитаксии, а также методом самосборки.

Разъяснитяется, что на современном этапе сформировалось 2 подхода к получению наноматериалов: "сверху-вниз" и "снизу-вверх". Технология "сверху-вниз" основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Технология "снизу-вверх" сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки из отдельных атомов и молекул.

Последующее за лекцией семинарское задание может быть представлено выступлениями групп учащихся по предложенным вопросам. Все вопросы необходимо осветить с разных сторон, с использованием разных источников. После заслушивания докладов нужно провести обсуждение и анализ, высказать критические замечания и пожелания. По окончанию урока представитель каждой из групп предлагает окончательный проект. Учитель оценивает работу участников дискуссии.

3.Тесты

1.                Сопоставьте определения:

o         наночастицы; частицы, размер которых меньше 5-10 нм;

o         нанокластеры; частицы, размер которых меньше 100 нм;

o         нанопленки; кристаллические вещества, размер которых меньше 100 нм;

o         нанокристаллы. вещества, состоящие из одного и более атомных слоев.

2.                Что такое фуллерены?

o         длинные углеродные структуры;

o         кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие шароподобные каркасные структуры;

o         наночастицы, растворенные в жидкой фазе;

Страницы: 1, 2, 3, 4