Матвеева Ирина Альбертовна, учитель МАОУ «СОШ № 4», г. Арамиль
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Термин «нанотехнологии», бесспорно, остается ключевым понятием начала XXI века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
Стремительный рывок сферы нанотехнологий открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.
Нанонаука продолжает стремительно развиваться. Разрабатываются новые устройства и материалы, появились новые термины и определения, произошел ряд знаковых событий у нас в стране и за рубежом в этой области.
Для формирования целостной естественнонаучной картины мира, подготовки обучающихся к осознанному восприятию принципиально изменившегося подхода к созданию новых материалов и устройств в общеобразовательной организации необходим курс внеурочной деятельности «Введение в нанотехнологии».
Курс «Введение в нанотехнологии» состоит из трех разделов:
- «Наноазбука» (8 класс)
- «Основы нанотехнологии» (9 класс)
- «Нанотехнологии без тайн» (10 класс)
Раздел «Наноазбука» для обучащихся 8-х классов преподается в первом полугодии, имеет продолжительность 17 часов. Тематика занятий выстроена таким образом, что у обучащихся есть возможность не только познакомиться с базовыми понятиями нанотехнологии, историей появления и развития этой области научных знаний, но и развивать познавательную активность и творческие способности.
Для обучащихся 9-х классов в рамках курса преподается раздел «Основы нанотехнологий» продолжительностью 17 часов в первом полугодии. Изучение данного курса позволяет расширить и углубить представления обучащихся о влиянии размеров атомных структур на их разнообразные физические свойства (механические, электрические, магнитные, оптические) и активизировать знания по соответствующим разделам школьного курса физики, химии и биологии.
Раздел курса «Нанотехнологии без тайн» предназначена для обучащихся 10-х классов (69 часов; из них 3 часа резервное время). Курс открывает для обучащихся следующие возможности: знакомство с базовыми терминами и определениями нанотехнологии, историческими аспектами развития научного познания в целом и нанонауки в частности. В ходе изучения курса рассматриваются некоторые природные наноэффекты и виды наноструктур, а также методы их искусственного получения, приводятся примеры практического использования нанотехнологий в энергетике и электронике, машиностроении и строительстве, медицине и косметологии, сельском хозяйстве, военной промышленности и т.д. Большое внимание уделяется реальным достижениям практической нанотехнологии, более подробно рассматриваются исследования и достижения наших соотечественников. На практических занятиях курса учащимся предлагается подборка заданий интернет – олимпиад «Нанотехнологии – прорыв в будущее», «Нанометр» разных лет.
Задачи курса:
- Показать междисциплинарный характер нанотехнологии — нового направления науки, его возможности и перспективы для реализации потребностей человека.
- Познакомить с основными понятиями, направлениями нанотехнологий, наноинструментами, достижениями отечественных и зарубежных ученых.
- Способствовать формированию метапредметных компетенций обучающихся и, как следствие, профессиональному самоопределению.
- Совершенствовать навыки работы с различными источниками информации, в том числе в сети Интернет, умения представлять результат.
«Познание начинается с удивления» — эта древняя мудрость говорит о главном и непременном условии познания. Способность удивляться – великий дар природы, который помогает и учиться, и жить. Поэтому на занятиях курса, кроме лекций, следует использовать мозговой штурм, работу в группах, решение олимпиадных задач, работу с интернет-ресурсами, выполнение творческих заданий (эссе, кластер, синквейн, диаманта, создание мультимедийных презентаций), подготовку и защиту реферата (проекта).
Материально-техническое обеспечение:
компьютерный класс, автоматизированный класс междисциплинарного обучения (при наличии), интерактивная доска, интерент-ресурсы, видеофильмы.
Тематическое планирование раздела «Нанотехнологии без тайн»
(10 класс)
|
№ п/п |
Наименование раздела, темы урока |
Общее количество часов |
В том числе |
|
|
Теоретич. занятия |
Практич. занятия |
|||
|
1-3. |
В начале пути |
3 |
2 |
1 |
|
4-6. |
Индустриализация нанотехнологий |
3 |
2 |
1 |
|
7-9. |
Становление и развитие нанонауки в России |
3 |
2 |
1 |
|
9-11. |
Природные нанообъекты и наноэффекты |
3 |
2 |
1 |
|
12-14. |
Искусственные наноструктуры. |
3 |
2 |
1 |
|
15-17. |
Создание искусственных наноматериалов. |
3 |
2 |
1 |
|
18-20. |
Методы исследования наноструктур. |
3 |
2 |
1 |
|
21-23. |
Основные свойства наноструктур. |
3 |
2 |
1 |
|
24-26. |
Прикладная нанотехнология. |
3 |
2 |
1 |
|
27-29. |
Нанотехнологии и энергоэффективность. |
3 |
2 |
1 |
|
30-32. |
Наноразмерная электроника. |
3 |
2 |
1 |
|
33-35. |
Наноструктурированные композиционные материалы. |
3 |
2 |
1 |
|
36-38. |
Наноинженерия поверхности и изделий. |
3 |
2 |
1 |
|
39-41. |
Нанотрибология. Некоторые аспекты. |
3 |
2 |
1 |
|
42-46. |
Нанотехнологическая автохимия. |
5 |
4 |
1 |
|
47-49. |
Мифы военных нанотехнологий. |
3 |
2 |
1 |
|
50-54. |
Нанотехнологии, косметология и медицина. |
5 |
4 |
1 |
|
55-57. |
Нанотехнологии. Экология и сельское хозяйство. |
3 |
2 |
1 |
|
58-60. |
Перспективы развития нанонауки. |
3 |
2 |
1 |
|
61-64. |
Подготовка проектов по выбранной тематике. |
4 |
4 |
4 |
|
65-66. |
Защита проектов |
2 |
2 |
|
|
|
Резервное время |
3 |
3 |
|
|
|
Итого по курсу |
69 |
69 |
23 |
Основное содержание курса
В начале пути (3 часа)
Представление о мире, о составе веществ Аристотеля, греческого философа Демокрита. Частицы микромира: электроны (Джозеф Джон Томсон), протоны и нейтроны (Эрнест Резерфорд), кварки (Мюррей Гелл-Манн). Альберт Энштейн – первый ученый, использовавший измерения в нанометрах. Г.А. Гамов – теоретик инструментального обеспечения будущего нанотехнологий. Работы Ричарда Фейнмана, Эрика Дрекслера, Ричарда Смолли, Сумио Ииджима.
Индустриализация нанотехнологий (3 часа)
Включение развитых стран мира (Япония, США) в исследования по проблемам нанотехнологий, оценка перспектив будущего этого бизнеса. Мультидисциплинарные издания стран мира, публикующие научные статьи в области нанотехнологий. Развитие различных направлений прикладной нанонауки. Прогноз рынка нанотехнологий.
Становление и развитие нанонауки в России (3 часа)
Г.Б. Бордун – автор термина «нанометр». Работы отечественных ученых: «эффект безысносности» (Д.Н. Гаркунов, И.В. Крагельский), первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена. НИИ «Пульсар», ЗАО НТ МДТ, корпорация «РОСНАНО». Программа развития наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года.
Природные нанообъекты и наноэффекты (3 часа)
Работы Р. Гука, А. Левегука, Г. Ломанна. Отличительные особенности биологических и биогенных объектов. «Эффект лотоса» и его использование в прикладной нанотехнологии.
Искусственные наноструктуры (3 часа)
Наноразмернве частицы кремния, монтмориллонита, политетрафторэтилена, золотого фуллерена. Углеродные нанотрубки и их уникальные свойства. Дисперсные системы. Дендримеры. Коллоидные квантовые точки.
Создание искусственных наноматериалов (3 часа)
Технологии производства наноматериалов: восстановление, электролитический метод, разновидности золь-гель технологии, плазмохимический метод. Основные способы получения наноматериалов. Российские производители наноматериалов.
Методы исследования наноструктур (3 часа)
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – один из важнейших современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) – прибор, позволяющий осуществлять взаимодействия с поверхностью объектов на наноуровне. ЗАО НТ — МДТ — российский разработчик оборудования для сферы нанотехнологий.
Основные свойства наноструктур (3 часа)
Размерные эффекты наноструктур. Хиральность и структуры нанотрубок. Масштабные эффекты. Квантовые эффекты наноструктур. Униполярная люминесценция. Практическое использование уникальных свойств наноструктур.
Прикладная нанотехнология (3 часа)
Современные достижения практической нанотехнологии. Инкрементные нанотехнологии – промышленное применение наноструктур, специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями, в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов. Эволюционная нанотехнология и наномеханизмы. Радикальные нанотехнологии — предполагаемые конструкции (нанороботы) будущего.
Нанотехнологии и энергоэффективность (3 часа)
Энергия: доступность, эффективность. Альтернативные виды энергии. Генерирование энергии, распределение и хранение энергии. Сбережение энергии. Энергетика будущего.
Наноразмерная электроника (3 часа)
Характеристика мирового рынка электронной промышленности. Основные этапы развития ЭВМ и интегральных схем. Нанозапись и хранение информации – эффективное практическое применение наноэлектроники. Приборы на базе углеродных нанотрубок. «Память с произвольным доступом» — новый тип памяти для компьютера и сотового телефона. Разработка лазеров и мазеров. Нейрокомпьютеры.
Наноструктурированные композиционные материалы (3 часа)
Композиты и препреги: состав, свойства, практическое использование. Нанобетон. Отделочные и защитные покрытия на основе реализации «эффекта лотоса»: фасадная силикатная краска и ее уникальные характеристики. Синтез наночастиц серебра. Разработка и производство устойчивых к загрязнению и самоочищающихся поверхностей и покрытий.
Наноинженерия поверхности и изделий (3 часа)
Технологии «снизу вверх» и «сверху вниз». Прикладные методы силовой зондовой микроскопии. Работы по формированию (наноинженерии) поверхности для получения заданных функциональных свойств с высокими прочностными и триботехническими характеристиками.
Нанотрибология. Некоторые аспекты (3 часа)
Трибология – наука, изучающая контактное взаимодействие твердых тел при их относительном движении. Методы восстановления деталей и технического сервиса машин. Ультрадисперсные порошковые материалы. Космическая трибология. Функционирование подвижных соединений биологических существ.
Нанотехнологическая автохимия (5 часов)
Наноматериалы и их использование в производстве препаратов автохимии. Безразборный технический сервис машин и механизмов _ самостоятельное научно-техническое направление. Реметаллизанты. Геомодификаторы. Кондиционеры. Топливные нанопрепараты. Лакокрасочные покрытия и полироли.
Мифы военных нанотехнологий (3 часа)
Разработка мощных боеприпасов, пуленепробиваемых материалов, невидимых средств маскировки, точных приборов, новых средств связи. Костюм солдата будущего, плащ –невидимка. Всевидящая пыль – электронный разведчик.
Нанотехнологии, косметология и медицина(5 часов)
Дензинфицирующие свойства наночастиц. Стойкий окрашивающий эффект наночастиц косметических красящих средств. Шунгитовая вода. Отечественная и зарубежная нанокосметика. Диво-лаборатории или «лаборатории на чипе». Медицина и нанороботы. Блуждающие квантовые точки — активные диагносты заболеваний. Васкулоиды — заменители крови. Вечная жизнь.
Нанотехнологии. Экология и сельское хозяйство(3 часа).
Реальные и потенциальные опасности нанотехнологий: исследования Джона Джеймса (США), Ханны Карлссон (Швеция). Положительное влияние нанотехнологий на развитие окружающей среды и здоровье человека: работы А.Л. Чижевского (Россия), Омара Яги (Япония). Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в агропромышленном комплексе (АПК).
Перспективы развития нанонауки (3 часа)
Перспективы развития нанонауки: телефоны, предающие чувства; самоочищающиеся покрытия, наноархитектура, универсальный репликатор, «взрывное» развитие искусства, развлечений, образования. Форсайт – исследования института статистических исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) Государственного университета «Высшая школа экономики» (ГУ-ВШЭ).
Тематика проектов для обучащихся (10 класс)
- Открытие фуллерена
- Что особенного в наномире
- Наноинструменты
- Биологические наносенсоры
- Биологическая инженерия
- Медицина будущего
- Нанотехнологии и охрана окружающей среды
- Умные материалы
- Электроника и сенсоры
- Нанотехнологии и коммуникации
- Энергетика будущего
- Альтернативные виды энергии
- Нанотехнологии и общество
- Перспективы нанотехнологий
- Образование для сферы нанотехнологий
Литература
- «Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007.
- «Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника». Сборник статей под редакцией П.П. Мальцева, М., Техносфера, 2006.
- Андриевский Р.А., Рагуля А.В. «Наноструктурные материалы», М., Академия, 2005.
- Андрюшин Е.А. «Сила нанотехнологий: наука & бизнес», М., Фонд «Успехи физики», 2007.
- Кобаяси Н., Введение в Нанотехнологию, изд-во Бином, 2005.
- Пул Ч., Оуэнс Ф. «Нанотехнологии», М., Техносфера, 2006.
- Ратнер М., Ратнер Д. «Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи», Изд-во «Вильямс», 2005.
- Харрис П. «Углеродные нанотрубы и родственные структуры», М., Техносфера, 2003.
- Богданов К.Ю. «Что могут нанотехнологии?», газета «Физика» (изд. дом «Первое сентября»), №22 (2007), №2 (2008).
Интернет-сайты
http://www.nanometer.ru/ — сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»
http://www.nanonewsnet.ru/ — сайт о нанотехнологиях #1 в России
http://www.nanorf.ru/ — журнал «Российские нанотехнологии»
http://www.nanojournal.ru/ — Российский электронный наножурнал
http://www.nanoware.ru/ — официальный сайт потребителей нанотоваров
http://nauka.name/category/nano/ — научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках
http://kbogdanov5.narod.ru/ — «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях .
