Введение в мир нанотехнологий

Мордовский Республиканский Институт Образования

МОУ «Средняя общеобразовательная школа№28»

городского округа Саранска

Элективный курс по физике

для учащихся 10 классов

« Введение в мир нанотехнологий »

Автор: Егорова С. В.- учитель физики МОУ «Школа №28»,

2011г.

Оглавление.

1. Пояснительная записка……………………………………………………3-5стр.

2. Содержание программы …………………………………………………. 6-7стр.

3. Учебно-тематический план…………………………………………….....8-9стр.

4. Приложения………………………………………………………….. 10-17 стр.

5. Список рекомендуемой литературы………………………………….. 18-19 стр.

Пояснительная записка

Программа курса по выбору по содержательной, тематической направленности является научно-технической; по функциональному предназначению - учебно-познавательной; по форме организации - общедоступной; по времени реализации - полугодичной.

Программа курса по выбору: «Введение в мир нанотехнологий» предназначена для учащихся 10 класса интересующихся предметом независимо от профиля, я и направлена на повышение познавательного интереса к предмету, а также на развитие творческих способностей учащихся.

Именно в этом возрасте уже сформированы базовые знания по физике, химии, биологии.

Третья научно-техническая революция неразрывно связана с нанотехнологией, требует не только фактической, но и психологической подготовки специалистов к пониманию идей и перспектив развития этой отрасли науки.

Введение элективного курса о нанотехнологиях целесообразно по нескольким причинам:

-во-первых, курс ознакомит учащихся с современными достижениями науки

-во-вторых, курс показывает взаимосвязь физики с другими науками, тем самым создаст мотивацию для более глубокого изучения школьных предметов;

Содержание программы нацелено на формирование творческой личности, расширение представления учащихся о методах физического познания природы, формирования познавательного интереса к физике.

Нанотехнология - область, находящаяся на стыке физики, химии, биологии, экологии. Эту взаимосвязь и отражает содержание курса.

Программа курса рассчитана на 17 часов. Периодичность занятий 1 раз в неделю.

Основные задачи курса направлены на приобретение у обучающихся знаний:

• - о влиянии размеров атомных структур на их физические свойства;

• - о конкретных наноструктурах и перспективах их использования в современной технике;

• - о современных методах наблюдения атомов и манипулировании отдельными атомами;

• - о достижениях и перспективах использования нанотехнологии в технике, биологии, медицине;

• - об истории развития нанотехнологии и научной деятельности создавших её учёных.

Целью данного курса является:

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

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

• Воспитание научного мировоззрения.

Основные формы занятий: лекции, семинары, лабораторные работы.

Вся образовательная программа предусматривает не только углубление теоретических знаний, но и формирование деятельностно-практического опыта.

Образовательная программа предусматривает не только углубление теоретических знаний, но и формирование деятельностно-практического опыта.

В результате работы по программе ­­­­«Введение в мир нанотехнологий» учащиеся:

должны понимать: роль нанотехнологии в целом в жизнедеятельности человека в 21 веке; принципиальное влияние размеров наночаситиц на их физические свойства; перспективы «молекулярного дизайна», включающего наноструктуры как неорганического, так органического и биологического происхождения;

должны знать: (на уровне воспроизведения): 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 достижения учёных;

должны уметь: готовить сообщения и доклады, выступать с ними; оформлять сообщения и доклады в письменном и электронном виде, подбирать к ним иллюстративный материал и корректировать его.

Работа обучающихся по представленному курсу оценивается с учётом активности, качества содержания и оформления докладов, презентаций, выступлений в дискуссиях, приготовлении стендовых докладов.

Источники, использованные при разработке курса, указаны в списке литературы (прилагается).

2. Содержание программы (17 часов).

1. Введение. 2ч

1.1. Цели и задачи курса. Нано как миллиардная доля от метра. Наноструктуры - объекты, промежуточные между молекулами и макроскопическими телами. Положение наноструктур на шкале размеров.

1.2.Примеры природных и синтезированных наноструктур (ДНК, частицы природных глин, фуллерены, магнитные кластеры). Почему освоение наномира может быть полезно для человечества? Ричард Фейман.

2 . Нанотехнология - основа техники 21 века. 13часов.

2.1. Метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления. 2часа.

2.2. Нанообъекты и наноматериалы. 1час.

2.3.История открытия фуллеренов. Методы получения углеродных нанотрубок.

Углеродные нанотрубки и фуллерены - новая аллотропная форма углерода.

Электрические и механические свойства углеродных нанотрубок. 1час.

2.4.Основные направления применения нанотрубок.

Применение нанотрубок в качестве весов и кантилеверов и пр. 1час.

2.5. Применение нанотехнологий в биологии медицине, экологии. Излечение полной слепоты людей с повреждённой сетчаткой глаза. Противораковая терапия. 2часа.

2.6. Применение нанотехнологий в искусстве. 1час.

2.7.Нанотехнологии и энергетика. Энергия. Энергосберегающие технологии. Альтернативные виды энергии. 3часа.

2.8. Нанотехнологии и ВПК. Космос.

Радиопоглощающие ткани. Костюм солдата будущего. Космический лифт. Геостационарная орбита. 2часа.

3. Итоговое занятие. 2ч.

3.1.Презентация и защита итоговых работ «Нанотехнология - моё будущее». 3.2. «Круглый стол».

Экскурсии на предприятия республики.2 часа (выведены на внеурочное время).

3. Учебно-тематический план элективного курса

«Введение в мир нанотехнологий».

№п

/п

Тема

Всего часов

Лекция

Практика

Форма работы

1.

Введение

2

1

1

Лекция, семинар

2.

Нанотехнология - основа 21 века.

13

8

5

2.1.

Метаматериалы с отрицательным показателем преломления

2

1

1

Лекция, семинар,

самостоятельная работа

(см таблицу).

2.2.

Нанообъекты и наноматериалы.

1

1

Лекция с Интернет сопровождением.

2.3.

История открытия фуллеренов.

1

1

Лекция с Интернет сопровождением.

2.4.

Основные направления применения нанотрубок.

1

1

Лабораторная работа№1:

«Изучение свойств

углеродных нанотрубок»

с Интернет сайта.

2.5.

Применение нанотехнологий в биологии медицине, экологии.

2

1

1

Лекция, семинар с демонстрацией презентации.

2.6

Применение нанотехнологий в искусстве.

1

1

Лекция с Интернет сопровождением.

2.7

Нанотехнологии и энергетика

3

2

1

Лекция,

лабораторная работа №2

«Исследование

поверхности различных образцов с помощью

СТМ « Умка », с Интернет сайта.

2.8.

Нанотехнологии и ВПК. Космос

2

1

1

Лекция, семинар, защита презентаций.

3.

Итоговое занятие.

2

2

Защита проектов,

«Круглый стол».

Итого

17

9

8

Приложения.

1.1. Что такое «нано»?

Предтечей появления нанотехнологии надо считать учение Демокрита (5 век

до нашей эры), об атомарном строении вещества. Зачатки нанотехнологии

находим ещё в Древнем мире, а, также в Средневековье. Об этом

свидетельствуют многочисленные технические загадки древности, тайны

которых не раскрыты до сего времени. Строительство объектов идеальной

геометрической формы, с точностью недостижимой для современной науки.

Химическая чистота вещества, такой высокой степени, которую современные

учёные достигнуть не могут. Прочность дамасской стали, состав

невыцветающих красок, искусство древних гончаров, другие достижение наших

предков могут быть объяснены только с помощью нанотехнологии.

В 1906 году Альберт Эйнштейн ввёл понятие « 1 нанометр » для

характеристики размеров молекул.

Наша современная наука имеет дело с миллиардами и с миллиардами

атомами. Нанотехнология работает с отдельными атомами: то есть с объектами,

измеряемыми несколькими нанометрами. Точность при этом повышается,

настолько, что все существовавшие до этого приборы, выглядят, как

беспорядочная мешанина.

Нанотехнология - это технология работы с веществом на атомарном и

молекулярном уровне. Переход от работы с веществом к работе с отдельными

атомами - это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную

точность и эффективность.

1.Основное содержание: что такое нанотехнологии и почему о них должны знать все, шкала масштабов, понятийные представления о микромире и наномире, представления о строении атома, основные сведения о размерных эффектах - изменения свойств вещества в состоянии наночаситиц, включая физические, химические, механические, биологические характеристики, примеры «классических» и необычных нанообъектов, нанотехнологий вокруг нас, природных объектов. Что читать о нанотехнологиях (популярно и всерьез). Интернет-сайты по нанотехнологиям. Олимпиада по нанотехнологиям.

2. Прогнозы и перспективы развития нанотехнологий. Применение нанотехнологий в электронике и энергетике

Основное содержание: современные достижения и перспективы нанотехнологий в контексте развития высоких технологий и устойчивого развития человеческого сообщества. Использование достигнутых результатов исследований наномира в современной жизни на примере энергетики. Наноэлектроника - методы и принципы работы, достижения и перспективы. Устройства оптоэлектроники и наноэлектроники. Наночастицы, наноструктурированные материалы. Методы их получения. Использование нанострктурированных материалов в современных технологиях.

3.Основное содержание: классификация наночастиц, морфологическое

разнообразие, гетероструктуры, супрамолекулярные материалы. Представления об основных функциональных свойствах материалов. Полупроводники и квантовые точки. Химические, физические и биологические методики получения наночастиц и наноматериалов. Их использование в науке, технике, диагностике, медицине.

4. Нанобиотехнологии в современном мире. Практическое использование знаний наномира в современных биотехнологиях.

Основное содержание: молекулярные основы живых систем. Представление о живой клетке; принцип самоорганизации живого. Бактерии, многоклеточные организмы. Природные наносистемы в хранении, воспроизведении и реализации генетической информации клетки. Структурный и функциональный аспекты бионанотехнологии. Принцип самосборки.

1. Метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления.

Цели занятия: учащиеся должны усвоить понятия: метаматериалы, отрицательный показатель преломления.

Учащиеся должны уметь: давать определения метаматериалам, коэффициент преломления, отрицательный коэффициент отражения; об их свойствах и применении в технике.

Оборудование к уроку: мультимедийный проектор, модели метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления на электронных носителях.

Рис.№1 с сайта 3dnews.ru

Ответ на вопрос о возможности пронаблюдать это явление в жизни.

Объяснение закона преломления света. Изменение направления распространения света на границе раздела 2-х сред называется преломлением

n= c/v-показатель преломления.

Формулировка закона преломления света.

n=V1/V2=n1/n2

Явление с рис.№1 возможно при помощи нанотехнологий. Создаются материалы, обладающие отрицательным коэффициентом преломления. В природе их обнаружить не удалось; их стали создавать искусственно. Метаматериалы - материалы, свойствами, которые зависят не от химического свойства, а от микроструктуры, упорядоченной особым образом.

Учащиеся должны получить представление о способах получения метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления;

Метаматериалы приведут к развитию метеорологии и океанографии, появлению

радаров с новыми свойствами и средства всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей, систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие.

Закрепление знаний на втором занятии после просмотра презентаций по теме.

Ответить на вопросы, заполнив таблицу:

1)Закон преломления света.

2)Метаматериалы.

3)Отрицательный коэффициент преломления.

Формулировка, определение.

Физический смысл.

Формула (если есть).

Явление в природе

Примечание.

2.2.Нанотехнологии - это технологии, дающие возможность работать с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах, складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы невидимые обычным глазом. Нанотехнологии впитали в себя самые новые достижения физики, химии и биологии. Нанотехнологии - это очередная технологическая революция - переход от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. О том, что могут нанотехнологии рассказано в лекциях этого элективного курса.

Нанотехнологии - область знаний, где объединяются усилия физиков, химиков, биологов, врачей, инженеров - электронщиков, математиков и специалистов самых разных специальностей для очередного прорыва на пути человечества к прогрессу.

Особенное свойство наночастиц: большая доля поверхностных атомов - высокая химическая активность. Особое место выделяется наночастицам серебра и золота. Этими частицами обрабатывают постельное и нательное бельё. Также можно обрабатывать воду, фильтры систем кондиционирования, воду в бассейнах и других местах общего пользования.

2.3. Углеродные нанотрубки и фуллерены - новая аллотропная форма углерода. История открытия фуллеренов.

Ковалентная связь, валентный угол, гибридизация, орбитали. Орбиталь-пространство вокруг ядра, в котором велика вероятность нахождения электрона.

Особая роль углерода в наномире. Графен - слой графита. Фуллерены - наношарики из углерода. Углеродные нанотрубки - трубки из графена. Нанопроволоки. Дендримеры - капсулы наноразмеров. Самоорганизация нанообъектов и её использование при создании наноматериалов. Моделирование наноструктур.

Углеродные нанотрубки - каркасная структура, которая представляла собой длинные цилиндрические углеродные образования, которые зависимости от размера и формы могут обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами.

Лабораторная работа№1: «Изучение свойств углеродных нанотрубок».

2.5.Излечение полной слепоты людей с повреждённой сетчаткой глаза. Противораковая терапия, где используется тепло и частички железа для разрушения раковых клеток. Наночастицы железа нагреваются до 45 градусов Цельсия. Такой нагрев разрушает раковую опухоль.

Намагниченная жидкость доставляет лекарство. Под действием магнитного поля принимает определённую форму.

«Умные материалы» способны самовостанавливаться и реагировать на различные внешние изменения.

Генная инженерия. Использование ДНК для синтеза лекарств. Трансгенные животные и растения. Геномодифицированные продукты: за и против. Нанотехнологии против вирусов и бактерий. Адресная доставка лекарств, упакованных в нанокапсулы, больным клеткам. Нанотехнологии в борьбе с раковыми заболеваниями. Нанотехнологии в диагностике. Возможные риски использования наноматериалов

2.6.Наноарт-новый вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро и наноразмеров под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нанообразов с помощью электронного микроскопа и обработкой чёрно-белых фотографий.

Основоположник наноарта - румынский учёный и художник Крис Орфеску.

2.7.Оптоэлектроника. Сочетание устройств и приборов классической электроники с устройствами и приборами оптическими; начала интенсивно развиваться с 1963-1965 гг., после того как появились лазеры, полупроводниковые светоизлучающие диоды и волоконная оптика.

Сканирующий туннельный микроскоп поможет проводящие электрический ток металлы. Нанесение наночастиц увеличивает износостойкость материалов.

Сверхпроводимость.

Полевой транзистор - основной элемент цифровых электронных схем. История создания и современное воплощение. Фотолитография или как рождается микросхема. Закон Мура - удвоение плотности транзисторов в микросхемах каждые два года. Современный транзистор - это уже нанотранзистор. Основная болезнь нанотранзистора - высокая температура. Углеродные нанотрубки - будущие элементы нанотранзисторов. Наносенсоры - глаза для наноэлектроники. Наномоторы - мышцы нанороботов.

Лабораторная работа №2: «Исследование поверхности различных образцов

СТМ « Умка ».

2.8.Самозалечиваемые обшивки самолёта, ракет. Нанопокрытия для танков, другой военной техники, позволяющее менять цвет для создания маскировки.

Материалы, блокирующие вредное излучение, идущее от телефонов. Экранирующий эффект для защиты информации государственной важности.

Костюм солдата будущего-костюм невидимка. В экипировку солдата входит радиопередатчик, и GPS локатор, позволяющий точно определять дислокацию солдата на местности. На шлеме укреплён монокль, с помощью которого солдат может определить своё местоположение на электронной карте. Этот монокль подсоединен к прицелу винтовки, что позволяет вести огонь из-за прикрытия, подставляя голову под пули.

«Динамическая броня»- бронежилет всего несколько миллиметров будет облегать его наподобие водолазки. Обмундирование солдата, воевавшего в Ираке-48 кг. Солдата 2010 года-20кг.

На основе углеродных нанотрубок планируется построить космический лифт.

С геостационарной орбиты на Землю опускается трос, изготовленный из углеродных нанотрубок. Главная станция располагается на высоте около 100 000км, и подобно воздушному шарику висит на верёвочке в космосе, отталкиваясь от земли центробежной силой вращения планеты.

Сейчас доставка одного килограмма груза равна по цене одному килограмму золота. Космический лифт позволит удешевить этот процесс. Её стоимость будет порядка 10 долларов!

Сейчас космический лифт не создан, но есть реальные шаги в этом направлении.

3.1.Учащиеся готовят и защищают доклады- презентации по теме: «Нанотехнология - моё будущее».

3.2.Бизнес и инвестиции. Нанопровода.

Клеточная терапия. Биологические углерозы.

Локальные центры нанотехнологий. Международные усилия.

Нанотоксичность и общество. Международный совет по нанотехнологии.

Оценка риска. Риски и выгоды.

Перспективы нанотехнологий. Продукты и рынки. Патенты.

Перспективные будущие области применения нанотехнологий.

Гордость отечественной и мировой науки, академик-физик, лауреат

нобелевской премии Жорес Иванович Алфёров утверждает: « По многим

прогнозам, именно, развитие нанотехнологий определит облик XXI-ого века,

подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и

транзистора определили облик XX-ого столетия ».

.

Литература для педагогов и учащихся:

1.Уильямс Л, АдамсУ. Нанотехнологии без тайн. Путеводитель.-М.:Эксмо,2009.-С.224.

2.«Нанотехнологии. Азбука для всех.» Сборник статей под редакцией Ю.Третьякова.-М:Физматлит, 2009.-с.368.

3.Наноматериалы.Нанотехнологии.Наносистемная техника.Сборник статей под редакцией П.П Мальцева.-М.: Техносфера,2006.

4.БогдановК.Ю. Что могут нанотехнологии?- М.:Просвещение,2009.-С.96.

5.Дячков П.Н. Углеродный нанотрубки: строение, свойства, применение.-М:БИНОМ.Лаборатория знаний,2006.-С.293.

6.Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию.-М.: БИНОМ. Лаборатория знаний,2008.-С.134.

7.Пул Ч, ОуэнсФ, Нанотехнологии.-М.: Техносфера,2005.-С.336.

8.Ратнер М, Ратнер Д.Нанотехнология:постое объяснение очередной гениальной идеи.М.:Издательский дом «Вильямс», 2004.-С.240.

9.Хррис П.Углеродные нанотрубки и родственные структуры.-М.:Техносфера,2003.

10.Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех: большое в малом.-М.:2005.-С434.

11.Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции.-М.:Техносфера,2006.-С.224.

12.Разумовская И.В Нанотехнология.11 класс: учебное пособие.-М.:Дрофа,2009.-С.222.

13.Научно-практический журнал «Завуч»,№2 2011год.

Интернет-ресурсы:

nanonewsnet.ru-сайт о нанотехнологиях №1 в России.

nanometer.ru-сайт онанотехнологиях.

nauka.name/category/nano-научно-популярный портал о нанотехнологиях,

биогенетике и полупроводниках.

nanorf.ru- журнал «Российские нанотехнологии».

nanojournal.ru-Российский электронный наножурнал.

nanoware.ru- официальный сайт потребителей нанотоваров.

Cbio.ru-Интернет журнал «Коммерческая биотехнология».