Наноматериалы и нанотехнологии

 

2.2Тематическое планирование  курса

При разработке тематического  плана по курсу "Материаловедение" мы опирались на Государственный  образовательный стандарт среднего профессионального образования. Государственные  требования к минимуму содержания и  уровню подготовки выпускников по специальности  1705 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта.

Таблица 1 Тематический план курса "Материаловедение"

№ п/п	Наименование темы занятия	Количество часов
1	Физико-химические основы материаловедения	6
2	Методы измерения  параметров и свойств материалов	4
3	Области применения материалов. Основные сведения о производстве черных и цветных металлов и сплавов	6
4	Основные сведения о кристаллизации и структуре  расплавов	4
5	Диаграммы состояния  сплавов. Фазовые превращения	10
6	Классификация, маркировка и область применения различных  сплавов	6
7	Порошковые и  композиционные материалы Способы обработки  материалов	10
8	Неметаллические конструкционные  материалы на органической и неорганической основе	4
9	Материалы со специальными свойствами	6
10	Новые перспективные  материалы. Наноматериалы.	10
11	Способы обработки  материалов	6
12	Электрические методы обработки металлов	4
13	Термическая обработка	4
	Итого	80

 

 

 

2.3 Фрагмент календарно-тематического  плана дисциплины 

 

Таблица 2

№ п/п	Тема занятия	Дата	Форма занятия	Цели занятия			Краткое содержание занятия	Оборудование
				Обучающ.	Развивающ.	Воспит.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Введение в наномир.		Лекция	Дать общие сведения о нанотехнологии . Объяснить ученикам почему так важно изучение данной темы, кратко изложить содержание курса.	Развивать логическое и техни- ческое мышление, развивать у учащихся память, логическое мышление, интерес к предмету.	Воспитывать познаватель-ный  интерес.	Что могут нанотехнологии С чего начиналось изучение нанообъектов Ричард Фейнман  – пророк нанотехнологической революции	Конспект занятия, учебное пособие "Голубая мечта  Доналда Рамсфелда" Аксёнов П.Н.
2	Наноматериалы и  технологии их получения.		Комбини-рованный	Сформировать представление  о наноматериалах, их разнообразии, технологиях получения и уникальных свойствах.	Развивать логическое и техни- ческое мышление, развивать у учащихся память, логическое мышление, интерес к предмету.	Способствовать  воспитанию: целеустремленности, инициативы, самостоятельности, умение логически  мыслить, самостоятельно высказывать  и отстаивать свою точку зрения, сознательной дисциплины, усердие.	Классификация наноматериалов Наночастицы Нанопористые структуры Нанотрубки Нанодисперсии Наноструктурированные поверхности и пленки Нанокристаллические материалы Технологии "сверху-вниз" и "снизу-вверх" получения наноматериалов	Конспект занятия, учебное пособие "Очарование нанотехнологии" Хартманн У.Г.
3	Нанотехнологии  вокруг нас: реальность и перспективы.		Комбини-рованный	Сформировать представление  о принципах работы электронного просвечивающего, электронного растрового и ионно-полевого микроскопов, сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового, ближнепольного оптического микроскопов	Развивать у учащихся память, логическое мышление, интерес  к предмету.	Воспитывать познавательный интерес.	Нанопокрытия Катализаторы и  фильтры Нанотехнологии  в медицине Нанотехнологии  в парфюмерии и пищевой промышленности Нанотехнологии, используемые при производстве спортивных товаров, одежды и обуви	План-конспект лекции, учебное пособие "Голубая мечта  Доналда Рамсфелда" Аксёнов П.Н.

 
 

2.4 Планы-конспекты занятий  

 

План- конспект занятия № 1.

Тема: Введение в наномир.

Цель: Предоставить информацию о истории развития нанотехнологий.

Задачи:

- Обучающая: Дать понятия  о нанотехнологиях.

- Развивающая: развивать  у учащихся память, логическое  мышление, трудовые навыки, интерес  к предмету.

- Воспитывающая: способствовать  воспитанию целеустремленности, инициативы, самостоятельности; умению логически  мыслить, самостоятельно высказывать  и отстаивать свою точку зрения; сознательной дисциплины.

Тип занятия: Лекция.

Оснащение:

- МТО: компьютер

- МО: Конспект занятия,  учебное пособие "Голубая мечта  Доналда Рамсфелда" Аксёнов  П.Н.

Структура занятия:

1.         Организационный этап(2-3 минуты)

2.         Этап объяснения нового материала (55 минут)

3.         Этап закрепления изученного материала (15 минут)

4.         Заключительный этап (5 минут).

Ход занятия:

1. Организационный момент.

Преподаватель приветствует студентов. Происходит отметка присутствующих на занятии и постановка темы занятия.

2.Этап объяснения нового  материала

Преподаватель:

Английский термин "Nanotechnology" был предложен японским профессором  Норио Танигучи в средине 70-х гг. прошлого века и использован в  докладе "Об основных принципах нанотехнологии" (On the Basic Concept of Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до начала масштабных работ в этой области[4, С. 10-17]. По своему смыслу он заметно шире буквального русского перевода "нанотехнология", поскольку подразумевает большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их материализованные результаты – нанопродукцию.

Как следует из названия, номинально наномир представлен  объектами и структурами, характерные  размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10^–9м = 10⁶ мм = 10^–3 мкм). Сама десятичная приставка "нано-" происходит от греческого слова νανοσ – "карлик" и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта. Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Данная технология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией. Наноструктуры, построенные "из первых принципов", с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженериии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) (см. Приложение 1)

Наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

Наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Нанотехнологии - это принципиально  новый, надотраслевой приоритет, он един для всех отраслей науки и  промышленности. Фактически переход  к нанотехнологиям знаменует  переход цивилизации в ближайшие 10-20 лет к принципиально новому экономическому укладу.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три  направления:

·           изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

·           разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

·           непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Сегодня львиная доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов  и загрязнение окружающей среды. Если же мы будем целенаправленно  создавать необходимые нам материальные объекты, конструируя их из атомов и  молекул, с помощью нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.

Таким образом, нанотехнологии - это, во-первых, технологии атомарного конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организации  научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.

Отцом нанотехнологии можно  считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал  слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы  вещества.

Примером первого использования  нанотехнологий можно назвать –  изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал  известную компанию Kodak.

Один нанометр (от греческого "нано" - карлик) равен одной  миллиардной части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить  примерно 10 атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения, был Альберт Эйнштейн, который  в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру[17].

Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую  премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали  электронный микроскоп, обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем  существовавшие тогда оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения  подобных устройств, позволивших заглянуть  в наномир.

1932 г. Голландский профессор  Фриц Цернике, Нобелевский лауреат  1953 г., изобрел фазово-контрастный  микроскоп - вариант оптического  микроскопа, улучшавший качество  показа деталей изображения, и  исследовал с его помощью живые  клетки (ранее для этого приходилось  применять красители, убивавшие  живые ткани). Интересно, что Цернике  предлагал свое изобретение фирме  "Цейс", но менеджеры не осознали  его перспективности, хотя сегодня  такие микроскопы активно применяются  в медицине.

1939 г. Компания Siemens, в которой  работал Руска, выпустила первый  коммерческий электронный микроскоп  с разрешающей способностью 10 нм.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор  Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с  лекцией на ежегодной встрече  Американского физического общества в Калифорнийском технологическом  институте. В этом докладе, названном "На дне много места", он выразил  идею "управления и контроля материалов на микроскопическом уровне", подчеркивая, что речь идет не только о миниатюризации, но и о таких возможностях, как размещение всей Британской Энциклопедии на кончике булавки. По мнению Ричарда, достигнуть этого можно уменьшая обычные размеры в 25 000 раз без потери разрешения. Он предполагал, что используя подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. "Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами свойства размерности, несмотря на то, что речь идет об атомном уровне".

Хотя Фейман никогда не упоминал понятие "нанотехнологии", он обратил внимание на возможность  создания микроскопических приборов и  невероятно маленьких компьютеров, которые как хирурги могли  бы проникать в наши тела и выполнять  определенные задачи. Многие ученые восприняли идеи Ричарда как шутку, учитывая его знаменитое чувство юмора. Однако, он предложил награду в 1000$ тому, кто первым уменьшит страницу к 1/25 000 ее первоначального размера так, чтобы ее можно было прочитать с помощью электронного микроскопа. В 1985 году выпускник Стэнфорда Том Ньюмэн, используя электронный луч, записал первую страницу "Истории двух городов" Чарльза Диккенса на кончике булавки. Отправив результаты своего труда Фейману, он в течение двух недель получил от него чек.

Многие ученые до сих пор  удивляются, на сколько точны были предположения Ричарда Феймана. В своей оригинальной речи он подчеркивал  те огромные возможности, появляющиеся при работе на молекулярном уровне. Фейман хотел подтолкнуть людей  в нужном направлении, чтобы в  будущем, "Оглядываясь на наше время, — говорил он, — Все удивлялись, почему только в 1960 году кто-либо начал  серьезно задумываться над этим вопросом".

3.Этап закрепления изученного  материала. Преподаватель: теперь  давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили.

Преподаватель задает вопросы  по теме занятия, а учащиеся отвечают. Список основных вопросов – Что такое нанотехнологии, определение наноматериалы, в каком году был выпущен коммерческий электронный микроскоп.

4.Заключительный этап.

Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные  на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены  на лабораторной работе.

План- конспект занятия № 2.

Тема: Наноматериалы и  технологии их получения.

Цель: Предоставить учащимся информацию информацию о технологиях  получения наноматериалов.

Задачи:

- Обучающая: Сформировать  представление о наноматериалах, их разнообразии, технологиях получения  и уникальных свойствах. Познакомить  учащихся с разнообразием наноматериалов  и их свойствами.

- Развивающая: развивать  у учащихся память, логическое  мышление, трудовые навыки, интерес  к предмету.

- Воспитывающая: способствовать  воспитанию: целеустремленности, инициативы, самостоятельности, умение логически  мыслить, самостоятельно высказывать  и отстаивать свою точку зрения, сознательной дисциплины, усердие.

Тип занятия: Комбинированный.

Оснащение:

- МТО: компьютер, проектор  просмотр презентации 1.

- МО: Конспект занятия,  учебное пособие "Очарование  нанотехнологии" Хартманн У.Г.

Структура занятия:

1. Организационный этап(2-3 минуты)

2.         Этап объяснения нового материала (55 минут)

3.         Проведение теста (10 минут)

4.         Этап закрепления изученного материала (15 минут)

5.         Заключительный этап (5 минут).

Ход занятия:

1. Организационный момент.

Преподаватель приветствует студентов. Происходит отметка присутствующих на занятии и постановка темы занятия.

2.Этап объяснения нового  материала

Обсуждение вопроса о  классификации наноматериалов нужно  начать с экскурса в развитие человеческой цивилизации, тесно связанное с  освоением новых материалов и  технологий их получения. Определения  понятий "структура" и "наноматериалы" имеет смысл продиктовать учащимся для записи. Важно обратить внимание учащихся на взаимосвязь между размерами  вещества и его свойствами, особенно при достижении размеров частиц менее 100 нм. Изменения свойств связаны  с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и  изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов. (приложение 2).