Программа элективного курса для 11 класса Нанотехнологии

ПРОГРАММА ФАКУЛЬТАТИВНОГО КУРСА

«НАНОТЕХНОЛОГИЯ»

( 34 часа )

Автор И. В. Разумовская

Пояснительная записка

Программа факультативного курса составлена на основе программы элективных курсов "Физика 9-11 классы" М: Дрофа ,2010. Составитель Коровин В.А.

Факультативный курс предназначен для учащихся 11 классов. Курс опирается на знания , полученные учащимися при изучении физики, химии и биологии в основной школе, и рассчитан на 1 год ( 34 часа).

Цель курса- предоставление учащимся возможности удовлетворить индивидуальный интерес к изучению практических приложений физики в процессе познавательной и творческой деятельности при проведении самостоятельных экспериментов и исследований.

Нанотехнология - одна из наиболее динамично развивающихся областей современной физики, по ряду проблем граничащая с химией и биологией. Одновременно это основа новой техники, что позволяет говорить об очередной технической революции во всех областях жизнедеятельности человека. «По многим прогнозам, именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому как открытие атомной энергии, изобретение лазере и транзистора определили облик XX столетия». ( Алферов Ж.И.). Изучение основ нанотехнологии позволяет подготовить новые поколения к осознанному восприятию принципиально изменившегося подхода к созданию материалов и устройств техники XXI в.

Предлагаемый курс позволяет расширить и углубить представления учащихся о влиянии размеров атомных структур на их разнообразные физические свойства (механические, электрические, магнитные, оптические) и активизировать знания по соответствующим разделам школьного курса физики. Подчеркивается квантовая природа наночастиц. Нано-(или мезо-) структуры являются промежуточными между отдельными атомами и макроскопическими телами. Примером природных наноструктур служат многие биологические объекты. Поэтому данный курс не только соответствует общим задачам, стоящим перед обучением физике в старших классах средней школы, но и активизирует межпредметные связи физика - химия, физика - информатика и физика - биология. Учащиеся получают возможность познакомиться на качественном уровне с принципиально новыми физ. явлениями и новыми фундаментальными научными проблемами. Одной из важнейших особенностей курса является его политехническая направленность, конкретная демонстрация использования достижений физ. науки в новейшей технике. Исторический аспект развития нанотехнологии, начиная со знаменитой лекции Ричарда Феймана в 1959г. и заканчивая работами нобелевского лауреата академика Ж.И.Алферова, позволяет на конкретном примере показать логику развития физ. науки и ее применений и усилить эмоциональную составляющую восприятия материала курса.

Данный курс соответствует задачам, стоящим перед обучением физике в старших классах средней школы, способствует формированию целостной картины мира на разных уровнях размерности физ. систем. Изучение процессов самоорганизации при формировании наноструктур и примеры использования биологических наноструктур как элементов технологии позволяет с единых позиций рассматривать природные и искусственные наноструктуры, что способствует формированию общего научного мировоззрения.

Курс полезен для учащихся всех профилей обучения. Для гуманитарного направления можно усилить описательную составляющую курса, для биолого-химических классов сделать дополнительные акценты на химическом и биологическом аспектах курсах т.д.

Основные задачи курса:

Приобретение учащимися знаний: о влиянии размеров атомных структур на их физ. свойства; о конкретных наноструктурах и перспективах их использования в современной технике; о современных методах наблюдения отдельных атомов и манипулирования отдельными атомами; о достижениях и перспективах использования нанотехнологии в технике, биологии, медицине, вычислительной технике; об истории развития нанотехнологии и научной деятельности создавших ее ученых;

приобретение общеучебных умений: работать со средствами информации (учебной, справочной, научно-популярной литературой, средствами дистанционного образования, текущей научной информацией в Интернете); готовить сообщения и доклады, оформлять их и представлять; обобщать знания, полученные при изучении физики, химии и биологии; использовать технические средства обучения и средства новых информационных технологий; участвовать в дискуссиях;

формирование представлений об использовании различных физ. свойств и особенностей наноструктур в современной технике, роли экономического и экологического факторов; о роли компьютерного моделирования в создании новых структур и материалов;

воспитания научного мировоззрения и эстетическое воспитание;

развитие у учащихся функциональных механизмов психики - восприятия, мышления, речи, а также типологических и индивидуальных свойств личности: интересов, способностей, в том числе творческих, самостоятельности, мотивации.

При проведении занятий целесообразны такие формы обучения, как лекции (вводные к разделам), семинары, самостоятельная работа учащихся( коллективная, групповая, индивидуальная), консультации. Учащиеся самостоятельно находят информацию для докладов и сообщений, подбирают и реферируют тексты из учебной, научно-популярной литературы, сайтов Интернета, компьютерных обучающих программ, выбирают соответствующий иллюстративный материал. Кроме письменного представления докладов и сообщений возможно их представления в виде общего проекта. Уровень самостоятельности при осуществлении этой деятельности учащимися и характер помощи со стороны учителя варьируется в зависимости от их подготовленности и сложности материала.

После изучения курса учащиеся должны:

Знать (на уровне восприятия) отличительные особенности наноструктур в целом и основные примеры природных и синтезированных наноструктур; основные достижения и перспективы применения нанотехнологии в электронике, биологии, медицине, охране окружающей среды; историю развития нанотехнологии; имена и основные научные достижения ученых, сделавших существенный вклад в ее развитие;

понимать роль нанотехнологии в целом в жизнедеятельности человека в XXI в.; принципиальное влияние размеров наночастиц на их физ. свойства; перспективы так называемого «молекулярного дизайна» , включающего наноструктуры как неорганического, так и органического и биологического происхождения;

уметь работать со средствами информации, в том числе компьютерными ( уметь искать и отбирать информацию, систематизировать и корректировать ее, составлять рефераты); готовить сообщения и доклады и выступать с ни и второлго ми; участвовать в дискуссиях; оформлять сообщения и доклады в письменном и электронном виде, подбирать к докладам , сообщениям, рефератам иллюстрированный материал и корректировать его.

Работа учащихся по представленному курсу оценивается в конце первого и второго полугодия с учетом активности, качества содержания и оформления докладов, выступлений в дискуссиях, подготовленных наглядных материалов.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

11 класс

Понятие о нанообъектах и наноматериалах

(3 часа )

Наноструктуры - объекты , между молекулами и макроскопическими телами. Примеры природных и синтезированных наноструктур (ДНК, частицы природных глин, фуллерены, магнитные кластеры и др.). Особенности физических свойств наноструктур, связанные с их размерами (размерный эффект). Роль поверхности. Проявления квантовых эффектов. Новая парадигма получения материалов сборкой «снизу вверх».

Нанотехнология - основа техники будущего. Перспективы создания и использования материалов, систем и устройств со структурой в наномасштабе. Понятие о процессах самоорганизации и их роль (самосборка) в формировании наноструктур. Концепция Дрекслера): нанороботы и их самовоспроизводство.

Экспериментальные методы - «глаза» и «пальцы»

нанотехнологии

( 4 часа )

Туннельный эффект и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). История создания СТМ. Примеры их применения.

Атомный силовой микроскоп (АСМ). Принцип работы , устройство, режим работы. Определение методом АСМ структуры природных и искусственных нанообъектов. Манипулирование с помощью АСМ отдельными атомами.

Магнитный силовой микроскоп и его возможности. Оптический микроскоп ближнего поля, преодоление дифракционного предела. Оптический и магнитный пинцеты.

Фуллерены и нанотрубки

(4 часа)

История открытия фуллеренов. Строение и особенности электронной структуры. Углеродные нанотрубки. Фуллерены и нанотрубки - новая аллотропная форма углерода. Методы получения углеродных нанотрубок.

Зависимость электрических свойств углеродных нанотрубок от их строения. Использование углеродных нанотрубок в наноэлектронике (гетеропереход, дисплей и пр.). Сверхпроводимость нанотрубок.

Теоретическая прочность твердых тел и высокопрочные материалы. Прочность углеродных нанотрубок , перспективы использования их механических свойств.

Неуглеродные нанотрубки, особенности их структуры и свойств. Наноконтейнеры на базе фуллеренов и нанотрубок. Перспективы их использования в биологии и медицине. Многослойные нанотрубки.

Применение нанотрубок в качестве весов, кантилеверов и пр.

Магнитные кластеры и магнитные наноструктуры

( 4 часа )

Магнитные кластеры на основе железа и марганца, особенности их магнитных свойств ( «мезоскопические магниты» ). Магнитные кластеры и запоминающие устройства с высокой плотностью записи информации.

Суперпарамагнетизм . Явление тунеллирования магнитного момента в ферромагнитных наночастицах. Наноматериалы с эффектом гигантского магнитного сопротивления ( магнитные мультислои), их использование для записи и чтения информации. Использование магнитных кластеров, изолированных внутри нанотрубок.

Применение магнитных нанокластеров в медицине.

Наномембраны и вторичные структуры на их основе.

Нанопроволоки

( 2 часа )

Использование ускоренных ионов для получения трековых полимерных наномембран; применение наномембран.

Получение с помощью электролиза вторичных структур - нанопроволок. Магнитное сопротивление в нанопроволоках и наномостиках. Нанопроволоки (нанонити) на основе дрожжевых белков.

Квантовые точки, полупроводниковые сверхрешетки

( 3 часа )

Самосборка германиевых «пирамид». Квантовые компьютеры, кубиты. Полупроводниковые сверхрешетки - новый тип полупроводников. Композиционные и легированные сверхрешетки , их использование. Отрицательные электросопротивление.

Фотонные кристаллы - оптические сверхрешетки

( 4 часа )

Дифракционная решетка как одномерная фотонная структура. Качественное представление о дифракции на двумерной и трехмерной фотонной структуре. «Зонная теория» для фотонов: фотонные проводники , изоляторы , полупроводники и сверхпроводники.

Перспективы применения фотонных кристаллов для построения лазеров нового типа, оптических интегральных схем, хранения и передачи информации. История создания и исследования фотонных кристаллов. Кластерная сверхрешетка опала.

Применение драгоценных камней в квантовых оптических технологиях XX -XXI вв.

Консолидированные наноструктуры

( 3 часа )

Наночастицы и кластеры металлов. Магические числа. Понятие о фрактальной размерности. Металл-полимерные нанокомпозиты, наноструктурные твердые сплавы, наноструктурные защитные покрытия и пр.

Нанотехнология в биологии и медицине

( 5 часов )

Использование сканирующей микроскопии для исследования микроскопических структур и процессов в биологических системах. Нанороботы в организме человека. Наноактюаторы (наномоторы ), использующие биологические наноструктуры. Тканиевая инженерия (создание биологических тканей). Нанотехнология изготовления ДНК- чипов и расшифровка геномов человека и растений. Нанотехнология и охрана окружающей среды (наноструктуры с иерархической самосборкой для адсорбции атомов тяжелых металлов, нанопористые материалы для очистки воды, наносенсоры и пр.).

Теория и компьютерное моделирование наноструктур

( 1 час )

Развитие нанотехнологии в России и других странах мира

( 1 час )

Средства обучения

Слайды (диапозитивы).

Графические иллюстрации.

Сайты в Интернете, распечатки сайтов.

Научно-популярная литература.

Дидактические материалы.

Учебники по физике, химии, биологии для старших классов .

Компьютерная обучающая программа «Открытая физика».

Темы докладов и рефератов

1. История развития нанотехнологии, основные этапы.

2. Устройство АСМ , демонстрация изображений атомных структур, полученных на АСМ ( поверхность кремния; «загон для скота», демонстрирующий волновую природу электронов на поверхности меди и др.)

3. Зонная структура углеродных нанотрубок и их электрические свойства.

4. Использование биологических объектов при получении наноструктур и нанодвигателей.

5. Новые методы записи и считывания информации на основе нанотехнологии.

6. Наносенсоры - достижения и перспективы.

7. Нобелевские лауреаты в области нанотехнологии.

8. Квантовые эффекты в наноструктурах.

9. Новая парадигма получения структур и материалов « снизу вверх».

КАЛЕНДАРНО - ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

по программе факультативного курса «НАНОТЕХНОЛОГИЯ» 11 кл

Тема курса

№ур.

Тема урока

Прим. сроки

Понятие о нанообъектах и наноматериалах

(3 часа)

1/1

Что такое наноструктуры?

2/2

Особенности физ. свойств наноструктур, связанные с их размерами

3/3

Нанотехнология. Концепция Дрекслера

Экспериментальные методы-«глаза» и «пальцы» нанотехнологии

( 4 часа)

4/1

Сканирующий туннельный микроскоп.

5/2

Атомный силовой микроскоп

6/3

Магнитный силовой микроскоп

7/4

Оптический и магнитный пинцеты

Фуллерены и нанотрубки

( 4 часа)

8/1

История открытия фуллеренов

9/2

Фуллерены и углеродные нанотрубки - новая аллотропная форма углерода

10/3

Теоретическая прочность твердых тел и высокопрочных материалов

11/4

Применение нанотрубок в качестве весов и пр.

Магнитные кластеры и наноструктуры

( 4 часа)

12/1

Магнитные кластеры и запоминающие устройства

13/2

Суперпарамагнетизм

14/3

Использование магнитных кластеров, изолированных внутри нанотрубок

15/4

Применение магнитных нанокластеров в медицине

Наномембраны и нанопроволоки

( 2 часа)

16/1

Получение и использование наномембран

17/2

Нанопроволоки на основе дрожжевых белков

Квантовые точки, полупроводниковые

сверхрешетки

(3 часа)

18/1

19/2

Самосборка германиевых «пирамид»

Полупроводниковые сверхрешетки

20/3

Отрицательное электросопро-

тивление

Фотонные кристаллы -оптические сверхрешетки

(4 часа)

21/1

Перспективы применения фотонных кристаллов

22/2

Представление о дифракции на двух- и трехмерной фотонной структуре

23/3

История создания и исследования фотонных кристаллов

24/4

Применение драгоценных камней в квант-оптических технологиях

Консолидированные наноструктуры

( 3 часа)

25/1

Наночастицы и кластеры металлов

26/2

Понятие о фрактальной размерности

27/3

Металл-полимерные нанокомпозиты

Нанотехнология в биологии и медицине

(5 часов)

28/1

Использование сканирующей микроскопии в биосистемах

29/2

Нанороботы в организме человека

30/3

Тканевая инженерия

31/4

Нанотехнология и окружающая среда

32/5

Нанотехнология и окружающая среда

Теория компьютерного моделирования

33/1

Компьютерное моделирование

наноструктур

Развитие нанотехнологии

34/1

Нанотехнология в России и других странах мира