Елективний курс «Нанотехнології та їх застосування» як засіб ознайомлення учнів з найсучаснішими напрямками науково-технічного прогресу.

Одним із шляхів модернізації шкільної фізичної освіти є упровадження елективних курсів. Поняття «елективний курс» походить від англійського (to election, elective – обирати, вибір, вибраний, для вибору) і осмислюється як навчальний курс за вибором. Практика введення елективних курсів у навчально-виховний процес загальноосвітньої школи пов’язана з ідеєю профілізації навчання. Прийнято вважати, що елективні курси виконують такі основні функції: по-перше, підтримують вивчення основних профільних предметів або ж готують фундамент до подальшої профілізації, по-друге, забезпечують профільну спеціалізацію.

Зміст програми елективного курсу повинен бути актуальним, а його мотиваційний потенціал знаходитися на високому рівні. До таких курсів, безперечно, належить і елективний курс «Нанотехнології та їх застосування». Цей курс знайомить учнів з одним із найсучасніших напрямків науково-технічного прогресу – нанотехнологіями.

Нанотехнологія – це технологія вивчення нанометрових об’єктів і робота з об’єктами порядку нанометра (10^-9 м), що порівняно з розмірами окремих атомів і молекул.

Частинки розміром від 1 до 100 нанометрів одержали назву наночастинок. Для порівняння відмітимо, що товщина людської волосини 80 000 нм.

Одним із головних завдань, які стоять перед нанотехнологією, – заставити молекули групуватися визначеним способом, самоорганізуватися для того, щоб у підсумку одержати нові матеріали, із окремих атомів і молекул як із деталей конструктора збирати кристали необхідних властивостей, тобто бачити і переміщувати окремі атоми і молекули розміром в одну мільярдну долю метра. Звідки і назва – «нанотехнології».

Нанотехнологія – новий етап багатовікової епопеї пізнання матерії, а не просто ще одна фаза розвитку матеріалознавства. Вміння працювати з нанотехнологіями – ключ до технологій ХХІ століття.

Ось чому уряди більш як 60 країн прийняли програми розвитку нанотехнологій. Вони впевнені, що наноіндустрія може стати одним із визначальних факторів економічного зростання.

Експерти вважають, що вже в найближчі роки фахівець з нанотехнологій стане однією з десяти найбільш затребуваних професій. Поки що питання нанотехнологій не входить до програми шкільного курсу фізики. Познайомити з ними учнів краще всього у вигляді елективного курсу. Це і обумовило вибір теми даного магістерського дослідження.

Його метою є розробка програми, змісту і методики вивчення в ХІ класі елективного курсу «Нанотехнології та їх застосування».

У своїй роботі ми виходили з гіпотези, що реалізація у навчальному процесі розробленого нами елективного курсу «Нанотехнології та їх застосування» буде сприяти реалізації міжпредметних зв’язків фізики, хімії та біології, розширенню уявлень школярів про фізичну картину світу, загальноосвітній профільній та початковій допрофесійній підготовці.

Елективний курс розрахований на 14 годин (одна година на тиждень). При цьому найбільш ефективним є проведення цього курсу в другому півріччі ХІ класу, так як учні вже знайомі з деякими положеннями квантової теорії.

Мета курсу:

– Познайомити учнів із новою галуззю знань – нанотехнологіями.

Основні завдання курсу:

– реалізація міжпредметних зв’язків, тому що для розвитку нанотехнологій потрібні знання фізики, біології, хімії та інших наук;

– розширення уявлень школярів про фізичну картину світу на прикладі знайомства з властивостями нанооб’єктів;

– придбання знань про історію виникнення нанотехнологій, про методики, що використовуються при створенні нанооб’єктів, про унікальні властивості наноматеріалів, про їх застосування і перспективи розвитку цієї галузі науки.

Зміст курсу

Вступ (1 година)

Що таке нанотехнології. Положення нанооб’єктів на шкалі розмірів. Річард Фейнман – пророк нанотехнологічної революції. Ерік Дрекслер та його книга «Машини творення». Нанороботи.

Інструменти і методи наносвіту (1 година)

Атомно-силова мікроскопія. Скануючий тунельний мікроскоп. Перші нанофізичні експерименти. Оптичний (лазерний) пінцет.

Квантові явища в твердих тілах (2 години)

Поняття про зонну теорію. Власна провідність напівпровідників. Електронний газ в металах. Недоліки класичної теорії електричної провідності металів. Електронні хвилі в металах. Надпровідність.

Наноматеріали і їх фізичні властивості (4 години)

Особлива роль вуглецю в наносвіті. Графен – шар графіту. Фуллерени. Вуглецеві нанотрубки. Дендрімери – капсули нанорозмірів. Квантові точки і їх властивості. Механічні, термодинамічні, електричні та оптичні властивості наночастинок.

Застосування нанотехнологій (4 години)

Нанотехнології в різних областях виробництва. Нанотехнології в енергетиці та екології. Нанотехнології в будівництві. Наномедицина. Нанотехнології в боротьбі з раковими захворюваннями. Нанотехнології в харчовій промисловості.

Атестація учнів (2 години)

П ри проведенні занять необхідно використовувати різні типи уроків: уроки-лекції, уроки-семінари або уроки-конференції. Закінчення курсу повинно бути зазначено якою-небудь роботою (проект, творче завдання, твір).

С ьогодні дослідження в області в області нанотехнологій крутяться навколо невеликої кількості об’єктів – фуллеренів, вуглецевих нанотрубок, графенів, люмінофорів, металів і кераміки. Особливо це стосується перших трьох об’єктів, які є модифікаціями вуглецю.

Саме ці три наноматеріали ми і розглянемо більш детально в цій статті.

Гонка за новими вуглецевими наноструктурами розпочалася з 1985 року, після того як вчені Смоллі, Крото і Керпу відкрили фуллерени, за що одержали Нобелівську премію. Назву цей матеріал одержав по прізвищу американського архітектора Баклістра Фуллера, який застосував для побудови куполів своїх будинків п’яти- і шестикутники.

В молекулах фуллеренів атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шести- і п’ятикутників, з яких складається поверхня сфери або еліпсоїда. Самий симетричний і найбільш повно вивчений фуллерен С₆₀ (рис. 1), в якому вуглецеві атоми утворюють ікосаедр, який складається з 20 шестикутників і 12 п’ятикутників і нагадує футбольний м’яч (рис. 2). Діаметр фуллерена С₆₀ складає біля 1 нм. Зображення фуллерена С₆₀ деякі вчені вважають символом нанотехнологій.

Сьогодні сімейство фуллеренів нараховує майже два десятки родичів – від С₂₄ до С₈₆₀. (рис. 3). На основі фуллеренів утворили матеріал фуллеріт, який за твердістю перевершує алмаз. Якщо до звичайної сталі додати 3-5 % фуллеріту, то новий матеріал буде на 20% легше і міцніше тих, що використовують зараз.

Світовий «фуллереновий» бум передбачив відкриття вуглецевих нанотрубок, спочатку багатошарових (1991), а потім одношарових (1993). За набором властивостей і потенціалу застосування нанотрубки перевищують фуллерени, тому зразу ж привернули до себе увагу та інтерес дослідників.

Н анотрубки являють собою згорнуту в циліндр графітову площину, тобто поверхню, яка викладена правильними шестикутниками, у вершинах яких розташовані атоми вуглецю (рис. 4). Завдяки своїм унікальним фізичним властивостям вуглецеві нанотрубки мають дуже багато застосувань. Наприклад, волокна і троси з вуглецевих нанотрубок згідно теоретичним підрахункам мають механічну міцність на два порядки більшу, ніж такі ж стальні конструкції. І що важливо, маючи таку механічну міцність, вони мають густину на порядок меншу, ніж у тій же сталі.

Нанотрубки можуть утворюватися самі, наприклад, на поверхні вугільних електродів при дуговому розряді між ними. При розряді атоми вуглецю випаровуються з поверхні, і з’єднуючись між собою, утворюють нанотрубки самого різного виду – одношарові і багатошарові з різними кутами закручування. В залежності від кута закручування нанотрубки можуть володіти високою, як у металів, електропровідністю, а можуть мати властивості напівпровідників.

Відомо, що листок паперу, який згорнутий у вигляді трубочки, значно складніше зігнути і розірвати, чим звичайний листок. Тому вуглецеві нанотрубки такі міцні. Нитка зроблена із нанотрубок, товщина якої дорівнює товщині людської волосини, має здатність утримувати тягар вагою більше ста кілограмів.

Правда, зараз максимальна довжина нанотрубок складає біля сотні мікронів, що зрозуміло, не є достатнім для практичного їх використання. Але вчені вже підійшли до міліметрової межі. Тому є надія на те, що в майбутньому вчені навчаться вирощувати нанотрубки довжиною в сантиметри і навіть метри.

Вуглецеві трубки мають дуже добрі електричні властивості, тому їх можна використовувати в електромеханічних системах нового типу як нанодіоди, транзистори, мікроелектродвигуни і з’єднувальні наноелектропровідники. Наступною «точкою росту» у вивченні нових форм вуглецю стало відкриття у 2004 році графена.

Нобелівську премію 2010 року з фізики одержали А.К.Гейм і К.С.Новосьолов (рис. 5) (обидва закінчили Московський фізико-технічний інститут) за роботу, виконану у Манчестерському університеті. Їм належить головна роль у відкритті принципово нового матеріалу – графена.

Рис. 5. А.К. Гейм і К.С. Новосьолов

Графен – вуглецевий наноматеріал, шар атомів вуглецю товщиною в один атом, з’єднаних у двомірну кристалічну гратку із правильних шестикутників (рис. 6). Довжина сторони шестикутника 0,142 нанометра. Це самий тонкий матеріал, який сьогодні відомий людству.

Рис. 20. Графен

У графена є ще три перспективні властивості: прозорість, висока міцність і хімічна стійкість. Ці властивості можна використовувати для виготовлення прозорих електродів рідиннокристалічних дисплеїв, в тому числі і гнучких, і сонячних електростанцій. Великі листи найтоншого, але міцного як сталь матеріалу, знайдуть застосування не тільки в електроніці, а і в конструюванні одягу, у виготовленні космічних кораблів.

Анастасія Квачова,

Станіслав Сущенко