«Нанотехнологии:
когда размер имеет значение»
программа элективного курса для 11 класса, 34 часа
Автор: К.Ю. Богданов,
доктор биологических наук,
кандидат физ-мат наук,
зав. кафедрой физики лицея №1586 г. Москвы
эл. адрес: kbogdanov1@yandex.ru
Пояснительная записка
Нанотехнологии –
это технологии, дающие возможность работать с ничтожно малыми объектами,
размеры которых измеряются в нанометрах, складывать из них, как из кубиков,
устройства и механизмы. Нанотехнологии впитали в себя самые новые достижения
физики, химии и биологии. Нанотехнологии представляют собой основу очередной
технологической революции - переход от работы с веществом к манипуляции
отдельными атомами. О том, что такое нанотехнологии, рассказано в лекциях этого
элективного курса.
Данный курс
предназначен для учащихся 11 класса общеобразовательных средних школ естественно-научного, физико-математического и подобных
профилей, федеральный компонент базисного учебного плана которых включает в
себя 5 часов физики в неделю. Курс основан на знаниях, полученных учащимися при
изучении физики в основной и средней школе.
Элективный курс
рассчитан на 34 часа (1 час в неделю), однако занятия курса можно провести и в
одном из полугодий 11 класса по два часа в неделю. При этом наиболее эффективным
было бы проведение этого курса во втором полугодии 11 класса, так как к этому
времени учащиеся уже знакомы с основными положениями квантовой физики.
С некоторыми
лекциями этого элективного курса можно ознакомиться на сайте http://kbogdanov1.narod.ru и в номерах газеты «Физика» (Изд.
дом «Первое сентября») за 2007-2008 г.г.
Цель
курса:
- познакомить
учащихся с новой отраслью знаний – нанотехнологиями.
Основные
задачи курса:
- расширение
представлений школьников о физической картине мира на примере знакомства со
свойствами нанообъектов;
- реализация межпредметных связей, т.к. для развития нанотехнологий
требуются знания физики, биологии, химии и других наук;
- приобретение
знаний об истории возникновения нанотехнологий, о методиках, используемых при
создании нанообъектов, об уникальных свойствах наноматериалов, об их применении
и перспективах развития этой отрасли науки.
При проведении
занятий целесообразны лекции и семинары. К семинарам учащиеся с помощью преподавателя находят информацию,
касающуюся темы семинара, из научно-популярной литературы и сайтов Интернета.
Работа учащихся по этому курсу оценивается в конце года по результатам зачёта.
Содержание курса
11 класс
Введение
(2 часа)
Положение нанообъектов на шкале размеров. Ричард Фейнман – пророк
нанотехнологической революции. Почему освоение наномира может быть так полезно
для человечества? Эрик Дрекслер и его книга «Машины созидания». Нанороботы.
Нанотехнологии внутри и снаружи нас. Нанотехнологии – область знаний, где
объединяются усилия физиков, химиков, биологов, врачей, инженеров –
электроников, математиков и специалистов самых разных специальностей для
очередного прорыва на пути человечества к прогрессу.
Инструменты и методы наномира
(6 часов)
Пути создания нанообъектов: «снизу-вверх»
или «сверху-вниз». Можно ли
увидеть молекулы в микроскоп? Сканирующий электронный микроскоп. Как
атомно-силовая микроскопия чувствует прикосновение атомов. Что такое туннельный
микроскоп. Лазерный пинцет – инструмент для передвижения нанообъектов.
Наноматериалы
(4 часа)
Особая роль углерода в наномире. Графен – слой графита. Фуллерены –
наношарики из углерода. Углеродные нанотрубки – трубки из графена.
Нанопроволоки. Дендримеры – капсулы наноразмеров. Самоорганизация нанообъектов
и её использование при создании наноматериалов. Моделирование наноструктур.
Физические и химические свойства
нанообъектов
(6 часов)
Большое отношение поверхности к объёму – основное свойство нанообъектов.
Эффект лотоса. Отсутствие дислокаций - причина колоссальной прочности
нанопроволок и нанотрубок. Почему температура плавления металлических
нанообъектов уменьшается на сотни градусов?
Квантовые явления в наномире. Почему электрическое сопротивление
нанотрубки не зависит от её длины. Квантовые точки – искусственные атомы
наномира. Зависимость цвета в наномире от размера объектов. Нанохимия – невозможное становится возможным.
Наноэлектроника
(5 часов)
Полевой транзистор – основной элемент цифровых электронных схем. История создания
и современное воплощение. Фотолитография или как рождается микросхема. Закон Мура – удвоение плотности транзисторов в микросхемах каждые
два года. Современный транзистор – это уже нанотранзистор. Основная болезнь
нанотранзистора – высокая температура. Углеродные нанотрубки – будущие элементы
нанотранзисторов. Наносенсоры – глаза для
наноэлектроники. Наномоторы – мышцы нанороботов.
Наномедицина и биотехнология
(5 часов)
Генная инженерия. Использование ДНК для синтеза лекарств. Трансгенные животные и растения. Генмодифицированные
продукты: за и против. Нанотехнологии против вирусов и бактерий. Адресная
доставка лекарств, упакованных в нанокапсулы, больным клеткам. Нанотехнологии в борьбе с раковыми заболеваниями.
Нанотехнологии в диагностике. Возможные риски использования наноматериалов.
Нанотехнологии вокруг нас
(4 часа)
Примеры товаров, созданных с использованием нанотехнологий и причины их
уникальных свойств. Несмачиваемые и всегда чистые
ветровые стёкла, диски колёс и т.п. Созданные на основе наночастиц оксида
титана и серебра поверхности, обладающие бактерицидными свойствами.
Нанокомпозитные материалы. Нанотехнологии в различных областях производства.
Нанотехнологии в энергетике и экологии. Нанотехнологии в криминалистике и
косметике. Динамика развития нанотехнологий в России и за рубежом. Перспективы
мировой наноэкономики.
Аттестация учащихся
(2 часа)
Работа учащихся по данному элективному курсу оценивается после их ответа на
2-3 вопроса, содержащиеся в билетах с учётом активности и выступлений на
семинарах в течение всего курса.