IV Интернет - олимпиада по нанотехнологиям: Курсы

Прием работ на конкурс "Удивительное - рядом".

Курс, основанный на учебнике Дж.Озина "Нанохимия", знакомит слушателей с современными тенденциями развития нанохимии как дисциплины, использующей аппарат неорганической, физической химии, фундаментального материаловедения и ориентированной на разработку новых функциональных материалов с улучшенными свойствами. В курсе слушатели на конкретных примерах убеждаются в том, что для развития нанотехнологий наиболее востребованы именно фундаментально – научные знания. Курс начинается с введением необходимой терминологии, описания предмета «нанохимия» в понимании зарубежных и отечественных ученых, его роли среди других дисциплин. Основную часть курса составляет рассмотрение различных методов формирования наноструктурированных материалов с акцентом на процессы самосборки и самоорганизации и инструментальное оформление методик. По мере необходимости ретроспективно и кратко рассматриваются необходимые факты и закономерности. Завершается курс обсуждением перспектив развития нанотехнологий.

Литература

1. G.A.Ozin, A.C.Arsenault, L.Cademartiri, Nanochemistry. A chemical approach to nanometerials, RSC Publishing, 2009, 820 p.
2. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир. 1979. 568 C.
3. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия. 2000. 672 C.
4. Г.Б. Сергеев. Нанохимия. М.: Издательство МГУ, 2003.
5. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит. 2000. 224 C.
6. Ч.Пул, Ф. Оуэнс. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2004.
7. Суздалев И.П., Суздадев П.И. Нанокластеры и нанокластерные системы. // Успехи Химии. 2001. Т.70. №.3. С.203-240.
8. А.Вест. Химия твердого тела. М.: Мир, 1988, т.1,2.
9. Н.Г.Рамбиди, А.В.Березкин, Физические и химические основы нанотехнологий, Издательство: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г. 456 стр.

Лекция 1. Терминология, основы нанотехнологий и получения наноматериалов

Основные понятия и определения наук о наносистемах, наноматериалах и нанотехнологий. История развития нанотехнологий. Междисциплинарность и мультидисциплинарность. Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Нанохимия как предмет изучения. Определения, классификация, соотношения между химией, физикой, биологией и нанотехнологиями. Самосборка и самоорганизация как важный подход к получению наноматериалов, основные типы и иерархия наноструктур, закономерности взаимоотношений структуры и свойств наноматериалов. Структура курса.

Лекция 2. Литография

Различие в подходах «снизу - вверх» и «сверху - вниз» при получении наноматериалов. Основные типы литографии. Работы В.Б.Алесковского по осаждению монослоев. Понятие о самособирающих монослоях, супергидрофильных и супергидрофобных поверхностях. смачивание и обратный ему процесс с образованием квазиупорядоченных структур, хиральные поверхности. Мягкая литография и микроконтактная печать (наноимпринт,). Основные типы структур и способы «управления» свойствами поверхности при использовании наноимпринта. Самосборка двумерных упорядоченных структур.

Лекция 3. Послойная сборка

Понятие о нанореакторах и слоистых наноструктурах. Распространенные методики послойного осаждения из жидкой фазы, электростатические сверхрешетки, полиэлектролитные многослойные структуры и оболочки, композитные слои (полимер – наночастица, полиэлектролит – наночастица, системы доставки лекарств), гибридные материалы. «Двумерное давление» в пленках жидкостей, метод Лэнгмюра – Блоджет и его использование для получения наноматериалов (белковые структуры, МЭМС). Послойное осаждение ,на поверхностях с высоким радиусом кривизны, понятие о бифункциональных частицах – янусах. Примеры структур и методы их практического использования в оптике, медицине, электронике.

Лекция 4. Наноконтактная печать, штампы и зонды

Технические приемы улучшения «мягкой литографии», суб-100нм литография. Принцип действия сканирующего зондового микроскопа и различные режимы СЗМ. Использование СЗМ для «нанолитографии», взаимодействие зонда с поверхностью, явления и последствия, искусственное создание дефектов на поверхности, Dip - pen нанолитография и ее производные, нанолитография с молекулярным распознаванием, ДНК, вирусы и другие биообъекты для нанолитографии. Масштабирование нанообъектов при нанолитографии.

Лекция 5. Самосборка структур из анизотропных объектов

Основные причины использования анизотропных объектов (1D - структур) для самосборки наноструктурированных материалов. Важнейшие принципы получения квазиодномерных объектов. Гомогенное и гетерогенное зародышеобразования, основные элементарные механизмы развития граней растущего кристалла. Рост кристаллов по механизму «пар – жидкость - кристалл», система Si-Au, Ba₆Mn₂₄O₄₈ – KCl, Sn – O₂, Zn – O₂, примеры практического использования нитевидных кристаллов. Электрокристаллизация в пористых матрицах. Строительные блоки для самосборки, шаблоны для самосборки, упорядоченные структуры из анизотропных нанообъектов, самосборка наностержней, магнитные наностержни и кластеры, анизотропные наноструктуры из золота, полупроводников, термоэлектриков, сопряжение с биомолекулами, использование в светоизлучающих устройствах, транзисторах, сенсорах, контактах, лазерах, фотодетекторы. Углеродные и неуглеродные (оксидные, дисульфидные) нанотрубки, строение, основные свойства и области применения, примеры использования в наномеханике, фотонике, химических источниках тока, солнечные батареях, пьезоэлементах, антеннах, НЭМС.

Лекция 6. Получение нанокристаллов и их самосборка

Кластеры металлов. Блоки мозаики (области когерентного рассеяния) в поликристаллических материалах. Иерархическое строение функциональных материалов и наноматериалов. Различные подходы к сборке строительных блоков, различия между нанокристаллом, кластером и наночастицей. Квантовые точки и методы их получения. Носители заряда и энергетическая структура полупроводниковых нанокристаллов, фазовые переходы в «нанокластерах», наблюдение роста нанокристаллов. Поверхностная модификация нанокристаллов, «жирорастворимые» и «водорастворимые» квантовые точки. Плазмоный резонанс и наночастицы металлов. Суперпарамагнитные оксидные наночастицы. Сверхрешетки из нанокристаллов и использование биологических объектов для получения упорядоченных ансамблей наночастиц. Использование наночастиц. Сверхрешетки магнитных нанокристаллов для хранения информации, мягкая литография для создания упорядоченных структур из нанокристаллов, электролюминесцентные полупроводниковые нанокристаллы, полноцветные композиты нанокристаллы – полимер, фотохромные нанокристаллические покрытия, биосовместимые нанокристаллические материалы, гипертермия и фотодинамическая терапия рака, активные элементы сенсоров, катализаторов. Сопряжение и энергетический обмен между наночастицами и биологически активными молекулами (фотосинтетическими реакционными центрами). Понятие о нанобиотехнологии.

Лекция 7. Самосборка микросфер и бифункциональные микрочастицы - янусы

Фотонные кристаллы, терминология и основные мотивы структуры. Фотонные «запрещенные зоны». Модифицированный закон Вульфа – Брэга. Управление светом с помощью фотонных кристаллов. Фотоника. Природные фотоннокристаллические структуры, опалы. Получение искусственных фотонных кристаллов, микросферы как универсальные строительные блоки (полистирол, диоксид кремния, многослойные сферы). Наноструктурирование микросфер, самосборка микросфер в коллоидные кристаллы, пленки, нити. Различные виды упаковки микросфер. Оптические свойства фотонных кристаллов и структур (с искусственными дефектами) на их основе, переключение света светом, термохромные фотонные кристаллы, жидкокристаллические фотонные кристаллы, фотонные чернила, фотоннокристаллический цветной дисплей, электрическое и магнитное переключение фотонных кристаллов, фотоннокристаллические сенсоры, фотоннокристаллическая хроматография, макромолекулярные сита, «замедление» фотонов, улучшенный фотокатализ, фотопроводимость и солнечные батареи. Частицы – янусы и методы их получения.

Лекция 8. Микро-, мезо- и «нано»пористые материалы

Классификация пористых материалов. Супрамолекулярные «наноклеточные» соединения. «Гость» и «хозяин». Принцип комплементарности. Термоэлектрики с клатратной структурой. Цеолиты и их использование в высокоселективном катализе, а также при получении нанокомпозитов. Металлорганические каркасы. Модульная самосборка пористых материалов, хранение водорода в металл-органических каркасах. Понятие «темплата». Мицеллобразование. Жидкокристаллические матрицы как темплаты при получении нанокомпозитов. Дизайн мезопористых материалов и композитов, мезоструктура и размерность, хиральные структуры, структурированные планарные структуры, функционализация, методы получения мезопористых материалов, «гости» мезопор, использование мезопористых материалов в ИТ-технологиях, медицине, химии. Микропористые материалы. Анодирование алюминия и титана. Металлические пены. Биосовместимая пенокерамика. Терморасширенный графит. Применение пористых материалов.

Лекция 9. Использование блоксополимеров в нанохимии

Основные типы и принципы строения полимеров. Биополимеры. Дендримеры. Блоксополимеры. Спинодальный распад (стекла, твердые растворы, ВМС) и наноструктурирование. Полимеры и нанохимия, блоксополимеры в тонких пленках, упорядочение электрическим полем, пространственные ограничения, мицеллы и супрамолекулярные структуры, полимерные «щетки», применение блоксополимерных структур для нанолитографии, нанодекорирования, создания нанореакторов и нанокомпозитов.

Лекция 10. Биомиметика и биоматериалы

Природные объекты и биомиметика. Вирусы, самосборка ДНК и с помощью ДНК, примеры биологических «молекулярных машин». Биоминерализация, морфогенез – неорганические материалы сложной формы, кости, природные волокна, крылья насекомых. Требования к биоматериалам. Фосфаты кальция и методы получения биокерамики. Взаимодействие биокерамики и биостекла с живыми тканями. Биоинертная керамика на основе диоксида циркония. Наночастицы для использования в медицине в качестве средств доставки и визуализации. Строение наиболее распространенных типов биосенсоров.

Лекция 11. Самосборка больших строительных блоков

«Капиллярные силы» и «силы поверхностного натяжения». Краевой угол смачивания. Эффекты Марангони. Самосборка надмикронных форм. Магнитная, динамическая, самопроизвольная сборка. Графоэпитаксия белков, полупроводников, сверхпроводников. Микрофлюидика и микрожидкостная сборка. Использование эффектов самосборки больших строительных блоков для создания текстурированных оксидных функциональных материалов, биологических структур, логических элементов, биочипов, микрожидкостных устройств.

Лекция 12. Перспективы использования наноматериалов и нанотехнологическое образование

Форсайт и реальность. Развитие нанотехнологий в РФ по данным статистических исследований и «по ощущениям». Наиболее перспективные направления развития: альтернативная энергетика, солнечные батареи и топливные элементы, химические источники тока, мембранные технологии, новые каталитические системы, микрофлюидика, борьба с ВИЧ и онкологическими заболеваниями, биосенсоры, наномедицина и бионанотехнологии, наноэлектроника, устройства записи и отображения информации, фотоника и спинтроника, конструкционные материалы и самозалечивающиеся покрытия, материалы отдаленного будущего. Развитие «нанообразования». Роль выпускников университетов в становлении «наноиндустрии».

Самостоятельная работа

В качестве самостоятельной работы студентам предложен перевод в минигруппах по 2 – 5 человек английского варианта книги G.A.Ozin, A.C.Arsenault, L.Cademartiri, Nanochemistry. A chemical approach to nanometerials, RSC Publishing, 2009, 820 p. по главам.

ВНИМАНИЕ, КОНКУРС ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ "УДИВИТЕЛЬНОЕ - РЯДОМ"!

Первая инстинктивная реакция обычного человека на сообщение о том, что где-то кто – то что – то нашел новое, удивительное и прекрасное – «Покажи!» Требование серьезных инвесторов – «Покажите!» макет, установку, продукт… Что со школьниками чаще всего делают в известном всем Политехническом музее? Им показывают экспонаты… Для чего приезжает в школу Нанотрак? Не только рассказать, но и показать реальные (нано)материалы в действии. Что запоминают школьники на уроке больше всего? Правильно, взрыв, который им «показал» учитель. Такова человеческая природа, именно поэтому мы так любим различные эксперименты, красивые научные «фокусы», которые отнюдь не ловкость рук, но опыт экспериментатора, игра ума и знание законов природы. И лучшие опыты не только западают в душу, но и убеждают в правоте экспериментатора тех, кто раньше не верил в научное чудо.

А как показать то, что нельзя увидеть из-за очень маленького размера? Например, наночастицы, нанообъекты? Да еще показать так, чтобы все хлопали от восхищения, всем все было понятно, надолго и позитивно запомнилось? Почти неразрещимая загадка… Но решать ее надо со всей горячей творческой силой, холодным разумом и железной уверенностью в конечном благотворном эффекте. Интересно знать, что такое «огненный дождь» или «платиновое огниво»? Как светятся квантовые точки в коллоидном растворе при освещении их «фиолетовой» лазерной указкой? Почему магнитная жидкость может быть похожа на «купающегося ежика»? Почему пергидроль взрывается, если в него бросить щепоточку нановискеров? Какой наноматериал при воздействии фотовспышки взрывается в атмосфере кислорода? Какие наноматериалы есть в сотовом телефоне? Ответы на эти и многие другие необычные вопросы могут дать демонстрационные нанотехнологические опыты.

Итак, при поддержке префектуры ЮВАО, МКНТ и МГУ объявляется конкурс «Удивительное - рядом» на разработку демонстрационных экспериментов в области нанотехнологий (химического, физического, математического, биологического, инженерного характера).

Номинации конкурса:

1. Фантастические идеи нанотехнологических экспериментов – умозрительное описание любых демонстрационных экспериментов, которых еще никто не делал, но которые, по мнению авторов, могут поразить воображение любого
2. Нанотехнологическая интерпретация существующих экспериментов в новом (предлагаемом авторами) оформлении и соответствующими пояснениями
3. Школьный кружок – сборники опытов (опубликованные или нет) для школьников различных классов с пояснениями методики реализации и их сути, в том числе эксперименты с использованием технических средств и аналитических установок
4. Лабораторные работы – описание или уже готовые результаты по созданию демонстрационных экспериментов, лабораторных работ и практикумов для студентов ВУЗов
5. Нанотехнологии для всех – описание «нанотехнологических» экспонатов, безопасных и зрелищных (простых) опытов для широкой аудитории, например, посетителей Политехнического музея (г.Москва), слушателей передвижного учебного комплекса в области нанотехнологий (Нанотрак, МКНТ) и т.д.

Условия конкурса:

1. Возраст и происхождение участников – любые.
2. Придуманные опыты или описания реально проведенных (разработанных) экспериментов должны быть направлены на демонстрацию особых свойств веществ и материалов, находящихся в «наносостоянии», а также способствовать лучшему пониманию законов «наномира» соответствующей аудиторией, на которую эти опыты рассчитаны. При этом характер экспериментов может быть связан как с химией, физикой, биологией (медициной), так и с инженерными подходами в науке и технике.
3. Эксперименты могут быть связаны с синтезом, свойствами, поведением, превращением и метрологией наноматериалов или использованием нанотехнологических подходов для изменения свойств существующих веществ и материалов.
4. Авторские права остаются за участниками, подавшими работы на конкурс, они могут самостоятельно публиковать работу в печатных изданиях и других сайтах. Если работа уже опубликована, ее подача на конкурс не должна противоречить тем условиям, на которых работа была опубликована. Лучшие опыты могут войти в печатный сборник демонстрационных опытов в области нанотехнологий (за авторством участников), который планируется подготовить для издательства «Бином. Лаборатория знаний» (обсуждается с участниками отдельно).

Формат работы:

1. Пояснительная записка (введение) – что за опыт предлагает участник (если есть аналоги или исторические корни, указать их), в чем его суть, каковы физические, химические, биологические и прочие принципы, на которых он основан, в чем новизна и что эти опытом хочется показать – не более 2 стр. формата A4
2. Описание эксперимента (или пропись, если эксперимент уже проводили) – не более 2 страниц формата А4
3. Результаты – текстовое описание ожидаемых (или происходящих) событий, фотоотчет или видео материалы (сделайте архив, чтобы все можно было загрузить в виде одного файла размером не более 30 Мб)
4. Список использованных источников или ссылки на публикации Вашего эксперимента в Интернете или печатных изданиях (если есть)
5. Информация об истории разработки опыта и краткая информация об авторах и соавторах (допускаются коллективные работы, подаваемые от имени одного из участников) – не более 1 стр. формата А4.

Критерии оценки:

• Оригинальность идеи и зрелищность эксперимента (5 баллов)
• Обоснование опыта (5 баллов)
• Детализация и продуманность методики постановки опыта (5 баллов)
• Полнота (завершенность) и самодостаточность работы (5 баллов)

Количество победителей – до 5 человек.