Элективный курс на тему "Введение в нанотехнологию"

Пояснительная записка

В последнее время можно часто слышать слово “нанотехнология”, или во множественном числе – “нанотехнологии”. Ученые говорят, что нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества, преображают мир и делают его лучше, и обязательно найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Придуманы крохотные нанороботы, способные проникнуть в любую клетку человеческого организма, которые смогут быстро лечить разные болезни и производить такие операции, которые не под силу даже самому опытному хирургу. Благодаря нанотехнологиям появятся “умные дома”. В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут “умные вещи” и “умная пыль”. В недалеком будущем люди станут носить одежду, которая не только не пачкается, а даже сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ. Нанотехнологии позволят изобрести компьютерную технику и мобильные телефоны, которые можно будет складывать, как носовой платок, и носить в кармане. В этом интересном мире будут жить уже наши дети.

В школьном курсе химии знакомство с основами нанохимии и нанотехнологии возможно лишь в профильных классов (из-за достаточного количества часов) и то, только при изучении темы “Аллотропные модификации углерода”. Эти знания являются минимальными и эпизодическими. В то же время нанонаука, развивающаяся на стыке химии, физики, математики, материаловедения и компьютерных технологий, очень интересна для современных школьников. Достижения нанонауки служат основой для развития нанотехнологий – технологических процессов производства и применения нанообъектов. Нанотехнология становится не только основой техники и жизни XXI века, это еще и удивительная, завораживающая область новой цивилизации. Однажды с ней познакомившись, учащиеся неприменно, начнут искать новости нанотехнологии в Интернете, книгах, статьях. Из пассивного потребителя науки и техники ребята могут превратиться в человека, понимающего общие идеи их развития. Нанотехнология постепенно меняет наш мир и представления о нем. Дети XXI века будут реально овладевать нанотехнологией и развивать ее. Поэтому в рамках обучения в школе необходимо подготовить молодое поколение к восприятию идей и методов нанотехнологии и, возможно, к будущей работе в этой области на благо себя и своей страны.

Данный курс разработан для учащихся 10-11 классов непрофильного уровня.

Целью курса является знакомство учащихся с основными понятиями нанохимии и нанотехнологии.

Для реализации этой цели необходимо добиться решения следующих задач:

1. Расширить представления учащихся о физической и химической картине мира на примере знакомства с нанообъектами.
2. Сформулировать в доступной для школьников форме основные понятия нанонауки и нанотехнологии.
3. Способствовать приобретению знаний о свойствах наноматериалов.
4. Ознакомить учащихся с основными методами синтеза и исследования наночастиц.
5. Способствовать реализации межпредметных связей.
6. Формировать навыки работы с прибором NanoEducator.
7. Рассмотреть различные области развития нанотехнологии.
8. Формировать умение решать расчетные задачи по нанохимии.

Курс рассчитан на 16 ч, 1 ч в неделю.

Учебно-тематическое планирование

ТЕМА 1. Нанонаука и нанохимия. Классификация нанообъектов.

Нанонаука и нанохимия. Наночастицы и нанокластеры. Классификация нанообъектов: нанокластеры, нанопленки, нанонити, нанотрубки и нанопористые материалы. Квантовые точки.

ТЕМА 2. Методы синтеза и исследования наночастиц.

Классификация методов синтеза наночастиц. Два основных подхода к синтезу наночастиц: “снизу вверх” и “сверху вниз”. Физическое и химическое осаждение из газовой фазы. Прекурсоры. Разнообразие химических методов синтеза “снизу вверх”. Методы визуализации и исследования наночастиц. Сканирующий электронный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп.

Практические занятия №№1, 2: Получение первого СЗМ изображения (Цели работы: 1. Изучение основ сканирующей зондовой микроскопии; 2. Изучение конструкции и принципов работы прибора NanoEducator; 3. Получение первого СЗМ изображения; 4. Получение навыков обработки экспериментальных результатов).

ТЕМА 3. Наноматериалы.

Определение понятия “наноматериалы”. Нанокристаллические наноматериалы. Нанокомпозиты. Нанопористые материалы. Нанопленки и покрытия. Методы получения наноматериалов.

ТЕМА 4. Углеродные наноматериалы.

Аллотропные формы углерода. Наноалмазы. Фуллерены и их производные: история открытия, структура, свойства и методы получения. Углеродные нанотрубки: открытие, классификация, структура и свойства. Графен. Общие свойства наноформ углерода. Использование фуллеренов и углеродных трубок, перспективы их применения.

ТЕМА 5. Нанотехнология.

Связь нанохимии и нанотехнологии. Определение понятия “нанотехнология”. Механические наноустройства: тепловой наномотор, наномотор, работающий на энергии света, каталитический наномотор. “Нанопешеход” и “наноавтомобиль”. Магнитные наноматериалы. Ферромагнитные жидкости.

Практическое занятие №3: Приготовление и изучение свойств магнитной жидкости – коллоидного раствора магнетита Fe₃O₄ в воде.

ТЕМА 6. Наноэлектроника.

Микро- и наноэлектроника. Молекулярный компьютер. Использование углеродных нанотрубок в наноэлектронике. Преимущества наноэлектроники по сравнению с микроэлектроникой. Основные проблемы на пути массового производства изделий наноэлектроники.

ТЕМА 7. Нанотехнология и медицина.

Нано- и биотехнология. Основные области применения ненотехнологии в медицине: биодатчики (биосенсоры), имплантаты, доставка лекарств “по адресу”, диагностика раковых опухолей, дистанционная хирургия, разработка новых наноматериалов и лекарств, модернизация диагностических приборов и методов. Биочипы. Нанороботы-хирурги.

ТЕМА 8. Нанотехнология в быту.

Нанотехнология в производстве средств гигиены, парфюмерии и пищевой промышленности. Нанопокрытия стекла, ткани, бумаги. Использование нанотехнологии в спортивных товарах: производство рам велосипедов, клюшек для гольфа, теннисных мячей, материала для обувных стелек и мази для лыж и др. “Умная” одежда и обувь.

ТЕМА 9. Нанотехнология в военном деле.

Проект костюма солдата будущего – “костюм скорпиона”. Применение устройств “костюма скорпиона” в костюмах спасателя, пожарника, геолога, биолога-наблюдателя. Разработка экзоскелета. Роботизированные ноги. Противобаллистический шлем солдата. Камуфляж “хамелеон”. Биодатчики в костюме солдата будущего. Наносредства для защиты от химического и биологического оружия.

ТЕМА 10. Нанохимия в задачах.

Решение простых задач, в которых рассмотрены основные принципы нанохимии.

ТЕМА 11. Перспективы развития нанотехнологии.

Этапы, сопровождающие развитие новой технологии. Проблемы, связанные с развитием нанотехнологии: социальные, политические и экономические, кадровые, экологические.

Темы исследовательских работ и рефератов:

1. Прогнозы достижений нанотехнологии в ближайшие годы.
2. Развитие нанотехнологии в России.
3. Нанотехнологии и сельское хозяйство.
4. Нанотехнологии в экологии.
5. Нанотехнологии в космосе и авиации.
6. Биороботы.
7. Фантастика становится реальностью с помощью нанотехнологий.
8. Как изменится наша жизнь с помощью нанотехнологий в конце XXIвека.
9. Нанотехнологии в производстве лекарств.
10. Нанотехнологии в произодстве продуктов питания.
11. “Умный” дом.
12. Наногород.

Методические рекомендации.

При проведении занятий можно использовать в различном сочетании все традиционные формы и методы обучения. Однако необходимо введение в преподавание творческих заданий, содействующих повышению познавательной активности учащихся. Использовать различные формы самостоятельной работы учащихся, в том числе работу с дополнительной литературой, включая Интернет, подготовку рефератов и творческих исследовательских работ и проектов. При изучении курса учащимся предоставляется возможность выполнять практические работы, в которые они также могут внести элементы творчества.

Контроль знаний и умений учащихся подразделяется на текущий и итоговый. Он дает возможность учителю совершенствовать учебный процесс. Проверяя знания учащихся, учитель оценивает их. Оценка должна быть объективной, справедливой и понятной ученику. Оценка имеет функцию скорее поощрения, чем порицания и является средством воспитательного воздействия. Проверка знаний учащихся осуществляется путем устного опроса и текущих или итоговых письменных работ (познавательных заданий, тестов, задач, кроссвордов). Проверка УУД (универсальных учебных действий) учащихся проводится в виде работы над итоговой исследовательской работой. Итоговая отметка за элективный курс не выставляется.

1. Еремин В.В. Материалы курса “Нанохимия и нанотехнология”: лекции 1–4. – М.: Педагогический университет “Первое сентября”, 2009. – 92 с.
2. Еремин В.В. Материалы курса “Нанохимия и нанотехнология”: лекции 5–8. – М.: Педагогический университет “Первое сентября”, 2009. – 96 с.
3. Еремин В.В. Нанохимия и нанотехнология. 10-11 классы. Профильное обучение: учеб. пособие/ В.В. Еремин, А.А. Дроздов. – М.: Дрофа, 2009. – 109 с.
4. Разумовская И.В. Нанотехнология.11 класс: учеб. пособие / И.В. Разумовская. – М.: Дрофа, 2009. – 222 с.
5. NanoEducator. Базовый прибор для научнообразовательного процесса в области нанотехнологии. Учебное пособие.
6. Хартманн У. Очарование нанотехнологии / У. Хартманн; пер. с нем. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 173 с.
7. Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 96 с.
8. http://www.nanometer.ru
9. http://www.nanonewsnet.ru
10. http://www.rusnano.com
11. http://popnano.ru
12. http://www.nano-edu.ulsu.ru