Происходящие в настоящее время стремительные изменения в сфере высоких технологий (электроника, информационные технологии, микромеханика и другие области человеческой деятельности) во многом связаны с фундаментальными и прикладными исследованиями. Эти исследования состоят в конструировании и практическом использовании материалов с качественно новыми свойствами, возникающими благодаря уменьшению структурных элементов до нанометрового масштаба. Наука, занимающаяся такими маленькими объектами, называется — нанотехнология.
Особая роль нанотехнологий в научно-техническом прогрессе на современном этапе и научных представлений о нанообъектах и взаимосвязанных с ними явлениях в становлении современной научной картины мира определяют целесообразность и необходимость исследования научно-методической проблемы «внедрения» элементов знаний о нанотехнологиях в школьное образование.
Новые приоритеты развития науки потребовали серьезных перемен в организации учебного процесса, которые предусматривают уточнение целей и задач образования, совершенствования организации деятельности и функций учителя, повышение эффективности учебно-познавательной деятельности учащихся. Наиболее адекватным путем реализации задач современной российской школы признано введение профильного обучения на старшей ступени общеобразовательной школы. Стремительное развитие инновационных производств на основе нанотехнологий предполагает знакомство школьников с картиной наномира и методами управления нанообъектами и связанными с этим явлениями, что можно осуществить при проведении элективного курса по нанотехнологиям для учащихся профильной школы.
Особо актуальным считается изучение металлических наночастиц из-за открывающихся для них широких прикладных возможностей в самых разных областях нанотехнологий, начиная от медицины и заканчивая катализом и энергетикой [1, 2].
Например, изучение нанокластеров золота. Данный металл привлекал внимание человечества уже с самых древних времен. На первом этапе своего применения оно использовалось преимущественно в виде украшений, но с развитием науки очень скоро стали известны его уникальные физико-химические свойства. Именно с этого момента начинается техническое применение золота и интенсивно развивающиеся сейчас нанотехнологии не стали исключением. В настоящее время наночастицы золота активно исследуются благодаря своему возможному широкому применению в микроэлектронике, сенсорах, катализе, нелинейной оптике, биомедицине и т. д. [3].
Так же нанокластеры меди являются кандидатами на использование в различных электронных устройствах нанометрового уровня и катализаторах (абсорбция медью Co, Cu-Ce- b Cu-Zr-катализ) [4, 5], исследование свойств таких частиц представляется важным.
В свою очередь структура нанокластера вызывает большой интерес с точки зрения возможности создания новых материалов с перспективными физико-химическими свойствами. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные, полученные, например, в [1], где авторы показали, что наночастицы золота, имеющие икосаэдрическую структуру, являются более активными катализаторами в сравнении с объемным материалом, имеющим гранецентрированную кубическую решетку. Так же анализом особенностей формирования структуры нанокластеров золота и меди занимаются такие научные деятели как Головенько Ж. В., Гафнер Ю. Я., Редель Л. В., Гафнер С. Л.
Важными характеристиками металлических наночастиц, требующие изучения, являются температуры плавления и кристаллизации. Температура плавления частиц имеющих наноразмеры, сильно отличается от точки плавления макроскопического образца. Данный размерный эффект имеет не только научный, но и прикладной интерес. Например, понижение температуры плавления важно для микро- и наноэлектроники, где используются миниатюрные рабочие элементы, так как температура плавления определяет область нормального функционирования и стабильности соответствующих элементов [6].
Свойста нанокластеров чистых металлов рассмотренны в работах [3–7], наша же цель состоит в изучении влияния легирования золотом на температуру плавления и образования внутренней структуры нанокластеров меди. И на основе ранее известных и полученных нами результатах, разработать элективный курс для учащихся профильной школы «Нанокластеры сплава меди и золота в современных нанотехнологиях».
Данный элективный курс будет нацелен на рассмотрение основных свойств металлических наночастиц, и ведущими направлениями прикладной нанотехнологии: наноэлектроника, нанооптика, медицина и др. Формы занятия предполагаются как лекционные, так и практические.
Учащимся предстоит проделать ряд компьютерных экспериментов, в которые будет входить: определение температуры плавления и кристаллизации нанокластеров сплава меди и золота и рассмотрение их внутренней структуры. Для этого будут использованы следующие средства ИКТ: компьютерная программа «MDNTP», разработанная Dr. Ralf Meyer, Universitat Duisburg Germany, приложения «Xmgrace» используемое для построения графиков процессов охлаждения и кристаллизации кластеров и «Xmakemol» c помощью которого возможно рассмотрение внутренней структуры наночастиц. При выполнении компьютерных экспериментов учащимся представиться возможность погрузиться в нано мир и собственными руками создавать кластеры с определенным количеством атомов, и на основе полученных экспериментальных данных выявить влияние размера кластера на термодинамические характеристики моделируемой системы. Кроме знаний по физике учащимся предстоит показать свои знания из курса информатики по теме «Моделирование».
Данный элективный курс нацелен на формирование УУД:
- личностных: самоопределение учащегося с выбором будущей сферы деятельности;
- регулятивных: организация и планирование своей работы;
- познавательных: восприятие, анализ, моделирование;
- коммуникативных: сотрудничество, умение слушать и высказывать свою точку зрения.
Литература:
1. Пул-мл. Ч., Оуэнс Ф. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии. — М.: Техносфера, 2006. — 336 с.
2. Мальцев П. П. Мир материалов и технологий. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год. — М.: Техносфера, 2006. — 152с.
3. Chui Yu H., Snook I. K and Russo S. P. Visualization and analysis of structural ordering during crystallization of a gold nanoparticle. // Phys. Rev. B. — 2007. — 76. — P. 195427.
4. Pestrykov A. N., lunin V. V., Kochubey D. I. at. al. Influence of modifying additives on formation of supported copper nanoparticles. // J. Eur. Phys. D. — 2005. — 34. — P. 55.
5. Copper. Better Properties for Innovative Products. Ed. Jean-Marie Welter. Weinheim: Wiley-VCH, 2006. -332 p.
6. Головенько Ж. В., Гафнер С. Л., Редель Л. В., Гафнер Ю. Я. Роль термических процессов при формировании структуры нанокластеров Au, Ni и Cu // Известие вузов. Физика. — 2011. — Т. 54. — № 1/2. — С. 178–183.
7. Гафнер С. Л., Редель Л. В., Гафнер Ю. Я. Моделирование процессов структурообразования нанокластеров меди в рамках потенциала сильной связи. // ЖЭТФ. — 2009. — Т. 135. — № 5. — С. 899–916.
