План урока:
- Организационный момент (3 минуты).
- Мотивационный момент (5 минут).
- Изучение нового материала (15 минут).
- Закрепление знаний (15 минут).
- Подведение итогов урока (3 минуты).
- Рефлексия деятельности. Домашнее задание (4 минуты).
Оборудование: Компьютеры, проектор, колонки, экран, микро-лаборатория включающая два сканирующих зондовых микроскопа NanoEducator, выпущенный фирмой NT-MDT.
Содержание комплекта сопроводительных материалов к уроку «Подарок от гнома»:
- Бюллетень для голосования (Приложение 1).
- Карточка с заданием (Приложение 2, Приложение 3).
- Карточка учащегося. Рефлексия (Приложение 4).
Содержательное наполнение урока. Комментарии
1. Организационный момент.
Учитель приветствует школьников, называет тему урока, предлагает учащимся выбрать двух своих помощников на данный урок и знакомит школьников с комплектом «Подарок от гнома».
Методические рекомендации:
Учителем заранее готовятся эмблемы для помощников, комплект сопроводительных материалов «Подарок от гнома», необходимый каждому учащемуся на уроке, монтируется видео фрагмент и презентация к уроку.
Учитель: В переводе с греческого языка слово «нано», которое в качестве приставки вынесено в название нашего урока означает «карлик», гном. Поэтому на эмблемах моих помощников сегодня, изображен именно этот сказочный персонаж из наномира. (Рисунок 1).
Рисунок 1
Вашим домашним заданием на сегодняшний урок было нарисовать несложный черно-белый рисунок в программе Paint, который сегодня мы сможем использовать в своей работе. Предлагаю вам провести небольшое голосование на определение двух, наиболее интересных работ. За свою работу учащийся голосовать не может.
Методические рекомендации:
На экранах компьютеров перед школьниками появляется таблица, содержащая изображение и его номер. Можно воспользоваться одним учительским компьютером, тогда изображение проецируется на экран. Учащемуся необходимо в бюллетене для голосования (находится в комплекте «Подарок гнома») написать номер, понравившегося ему изображения. Один из помощников собирает бюллетени и подсчитывает баллы, выбрав две работы – победители и называет их учителю.
2. Мотивационный момент. Актуализация знаний.
Учитель: Профессор биологии Рита Колвелл достаточно романтично назвала нанотехнологии - воротами, открывающимися в современный новый мир. На сегодняшнем уроке предлагаю вам войти в эти ворота, приоткрыть для себя тайны этого удивительного мира и быть может, расшифровать некоторые его загадки.
Методические рекомендации:
Учащимся демонстрируется видео фрагмент, заранее смонтированный к уроку учителем http://www.youtube.com/watch?v=TfV5BWmc5eA&feature=youtu.be.
3. Изучение нового материала.
Методические рекомендации:
Объяснение учителем нового материала сопровождается демонстрацией презентации (Презентация). Школьники при этом составляют блок-схему изучаемого материала.
Учитель: Во времена Аристотеля считалось, что мир состоит из четырех стихий: воды, земли, огня и воздуха. Этих элементов было достаточно для того, чтобы объяснить весь окружающий мир.
Примерно в 400 году до нашей эры греческий философ Демокрит предположил, что все вещества состоят из атомов. Своим предположением он практически на два тысячелетия опередил науку.
В 1661 году английский химик Роберт Бойль опровергая учения Аристотеля, назвал мельчайшие частицы материи «корпускулами» (лат. – частица). Однако его догадка так же оставалась экспериментально не доказанной.
В 1897 году Джозефом Джоном Томсоном экспериментально был открыт электрон.
В 1907 году английский физик Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро и его составляющие. Однако впоследствии оказалось, что протоны и нейтроны не являются конечными частицами.
Они состоят из кварков, открытых в 1964 году американским физиком Мюрреем Гелл – Манном. Но это уже пико- и фемто- уровни. Поднимемся выше.
Первым из ученых, который стал использовать измерения в нанометровом диапазоне, считают Альберта Эйнштейна, который в 1905 году теоретически доказал, что размер молекул сахара составляет 1 нм[2].
Идею создания специальных приборов, способных проникнуть вглубь материи до границ наномира выдвинул Никола Тесла. Именно он предсказал создание электронного микроскопа.
В 1931 году немецкие физики Эрнест Август Руска и Макс Кнолл создали, электронный микроскоп, ставший прообразом нового поколения устройств, позволяющих заглянуть в мир нано объектов.
Следующий шаг вперед был сделан только в 1956 году, когда американец Джон Алоизиус О'Кифи предложил конструкцию микроскопа, в котором образец освещался световым лучом. Отражаясь от образца, свет регистрировался. Автор назвал свой метод растровой микроскопией ближнего поля.
Мысль о том, что в будущем человечество сможет создавать объекты, собирая их на нанометровом уровне, пришла американскому физику Ричарду Фейнману 29 декабря 1959 года на рождественской лекции, которая называлась «Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики». Фейнман предполагал, что «принципы физики… не говорят о невозможности манипулирования веществом на уровне атомов». «Внизу располагается поразительно сложный мир малых форм и когда-нибудь (например, в 2000 году) люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто не относился серьезно к исследованиям этого мира…»[6] - писал он.
В то время многие предположения Фейнмана его современники относили к своеобразию творческой натуры физика.
Однако в 1981 году швейцарец Генрих Рорер и немец Герд Карл Биннинг создали растровый сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий наблюдать и передвигать отдельные атомы.
В 1982 году Д. В. Пол создал сканирующий оптический микроскоп.
В 1986 году Герд Карл Биннинг с сотрудниками изобрел атомно-силовой микроскоп.
Данные устройства назвали «глазами» и «пальцами» нанотехнологии. С их помощью удалось не только увидеть, но и манипулировать отдельными атомами, перенося их в другие места поверхности. Впервые это продемонстрировали сотрудники IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швейцер в 1989 году, выложившие название своей фирмы 35 атомами ксенона на поверхности никеля.
В 2008 году ученые Израильского технологического института в честь 60-летия образования своего государства создали целую нанокнигу – Библию, размером не более 0,5 мм2. Текст, при помощи ионного пучка (галлия) вытравливался на золотой подложке[2].
Таким образом, подтвердилось предположение физиков о возможности манипуляции отдельными атомами.
Основой всех типов сканирующих зондовых микроскопов является взаимодействие зонда – микроскопически чрезвычайно чувствительного щупа с исследуемой поверхностью – подложкой за счет механических, электрических или магнитных сил.
Создатели сканирующего зондового микроскопа СЗМ предложили использовать его и в качестве инструмента для модификации поверхности образца. Повышая уровень взаимодействия между образцом и зондом можно перевести СЗМ из измерительного режима работы в литографический, который позволяет создать на поверхности образца заранее заданную структуру в нанометровом диапазоне[3]. Этой структурой – шаблоном и является изображение, которое вы нарисовали дома.
Литография (греч. Lithos -камень, grapho - пишу) появилась в 1798 году в Богемии. Ее создателем был Алоизией Зенефельдер. Это была первая принципиально новая техника печати, появившаяся после изобретения гравюры.
В двадцатом веке термин литография стали применят не только в книгопечатании, но и в микроэлектронике. Сегодня развитие литографического метода ориентировано на создание рисунка на поверхности монокристаллической пластинки – подложки. В зависимости от источника взаимодействия различают четыре вида литографии: фотолитография (с помощью светового луча); рентгеновская литография (с помощью рентгеновского излучения); электронно-лучевая литография (поток электронов) и механическая литография (с помощью механического воздействия).
Остановимся подробнее на механической литографии, так как именно она будет применяться нами при выполнении практического задания. Механическое воздействие на поверхность образца – подложки производят зондом микроскопа. При этом силовую литографию получают в двух режимах: в статическом режиме – наногравировка. При ней зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с большой силой, образую рисунок в виде царапин. Вторым режимом является динамический режим – наночеканка. При этом изменения поверхности образца происходят за счет формирования углублений колеблющимся зондом[4].
Наночеканка осуществляется векторным или растровым сканированием. Именно наночеканка растровым методом используется для создания литографических изображений при помощи СЗМ NanoEducator. При этом происходит сканирование определенного участка образца и воздействие на него в заданных точках с силой, зависящей от яркости соответствующих пикселей изображения – шаблона.
Для получения хороших результатов в растровой литографии необходимо, чтобы изображение – шаблон было четким. Белому цвету на изображении соответствует отсутствие воздействия, черному – воздействие максимальной силы.
4. Закрепление знаний.
Методические рекомендации:
Помощники вместе с учителем помещают выбранные для сканирования рисунки в память компьютера, подключенного к электронному микроскопу NanoEducator, и включают микроскоп в режим литографии. В это время учащимся предлагается закрепить материал, усвоенный на уроке, выполнив задание гнома, расположенное в «Комплекте от гнома». Карточка подписывается каждым из учащихся и по итогам выполнения задания сдается учителю.
По завершении процесса сканирования на экранах компьютера учащиеся наблюдают два литографических изображения и могут сравнить их с первоначальными образцами.
5. Подведение итогов урока.
Учитель: Наше небольшое путешествие в мир нано объектов сегодня подходит к концу. Надеюсь, что оно было познавательным и вам будет интересно продолжить его на следующем уроке.
В завершение сегодняшнего урока гном решил раскрыть вам еще одну тайну.
Методические рекомендации:
Учитель озвучивает ответы на задания каждого из вариантов.
6. Рефлексия деятельности. Домашнее задание.
Учитель: Последнее задание, которое предлагает вам выполнить гном - это провести самооценку деятельности. Для этого в его «Подарке» находится карточка учащегося, в которой вы при помощи специальных символов должны ответить на ряд предложенных вопросов.
Методические рекомендации:
Учащиеся отвечают на вопросы «Карточки учащегося. Рефлексия». Учитель задает домашнее задание и благодарит своих помощников и всех учащихся за урок.
Учитель: Домашнее задание. Для закрепления полученных сегодня знаний предлагаю вам, воспользовавшись интернет ресурсами, составить небольшую презентацию (соблюдая авторские права) о современных методах сканирующей зондовой микроскопии.
А также дополнить свою блок-схему материалами, запомнившимися с урока, либо из дополнительной литературы.
Список использованных источников:
- Алфимова М. М. Занимательные нанотехнологии. – М.: Парк-медиа: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 96 с.
- Балабанов В. И. Нанотехнологии: правда и вымысел. – М.: Эксмо, 2010. – 384 с.
- Дашина А. Ю., Лужков А. А., Попова И. О., Хинич И. И. Физические основы наноэлектроники. Часть 1: Сканирующая зондовая микроскопия: Учебно-методическое пособие. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2010. – 86 с.
- Нанотехнологии. Азбука для всех. / Под ред. Ю. Д. Третьякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 368 с.
- Черненко Г. Т. Нанотехнологии: настоящее и будущее. – СПб.: «БКК», 2011. – 80 с.
- Фейнман Р. Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики. // Химия и жизнь. – 2002. - №12. – С.20-26.