Реферат: Концепция разработки и реализации цикла научно-популярных лекций «Мир нанотехнологий» Начало работ: «1» ноября 2009 г

КОНЦЕПЦИЯ
разработки и реализации цикла научно-популярных лекций «Мир нанотехнологий»



Начало работ: «1» ноября 2009 г.

Головной исполнитель: ООО «БИНОМ. Лаборатория знаний» (издательство, юридическое лицо)

Партнеры и привлекаемые организации: Научно-образовательный центр МГУ, факультет наук о материалах МГУ, химический, физический, биологический факультеты МГУ, Малая Академия МГУ, Нанотехнологическое общество России, ЗАО «НТ МДТ», МГТУ им. Н.Э.Баумана, Северо-Кавказский Государственный Технический Университет, ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика», издательство «Физматлит», ООО "Научно-производственный центр "ВИДИКОР", МИРЭА (технический университет), ALT Linux, ООО «Майкрософт Рус», ИПКРО регионов РФ, МИОО.

Интернет-партнеры: сайт www.nanonewsnet.ru, сайт www.nanometer.ru, электронный бюллетень «Перст», сайты поддерживаемые ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика», сайт www.komplektovanie.ru.

^ 1. Пояснительная записка
Опыт последних трех-пяти лет однозначно свидетельствует о том, что несмотря на многочисленные усилия в области чистого «пиара нанотехнологий» их мизерным результатом стало лишь более спокойное, а не настороженно-негативное, отношение к нанотехнологиям, с которых для общественности был снят ореол шарлатанства и таинственности. Данный результат совершенно закономерен, поскольку единственным эффективным способом долговременного изменения общественного мнения в отношении нанотехнологий на устойчиво - позитивное является проведение комплексных образовательных или просветительских мероприятий, которые, к тому же, должны повышать общий образовательный уровень участников таких мероприятий и убеждать не на словах, а на деле (на собственном понятийном опыте) в пользе нанотехнологий и необходимости дальнейшего изучения этой современной области знаний. Те слоганы и предположения, которые, как правило, одноразово и искаженно, подаются субъекту рекламы «на веру», и поэтому остаются им непонятыми и непринятыми, могут быть им навсегда отвергнуты как чужеродные факты, не укладывающиеся в рамки привычного мировоззрения или ранее заученных им догм, если только не проводить планомерную разъяснительную работу, в этом случае нанотехнологии и мотивация к участию в процессе их развития может стать частью повседневной жизни наиболее активной части населения (школьников, студентов, молодежи в целом). Естественно, что даже более важным является формированием цепочки «преподаватель (в области нанотехнологий) – обучаемый», которая обеспечит производство и стратегическое воспроизводство квалифицированных кадров для наноиндустрии. В этом случае объектом повышения квалификации должны стать школьные учителя и преподаватели ВУЗов, а также, в ряде случаев, средних специальных образовательных учреждений, что существенно расширит по принципу «сетевого маркетинга» базу категорий аудитории, вовлеченной в активный и систематический процесс. Без реализации такого сценария развития ситуации дальнейшие попытки рекламного характера в области нанотехнологий будут иметь уже в среднесрочной перспективе нулевую эффективность из-за недостатка благоприятной для реализации таких попыток численности и качества аудитории.

Рассматриваемый подход не может быть делом одного дня, месяца или даже года, это большой комплекс взаимосвязанных мероприятий, рассчитанный на весь цикл мотивации, обучения и совершенствования профессиональных навыков специалиста – от стадии школьника и фактически до стадии наиболее активной научной фазы аспиранта и молодого ученого, включая как разработку учебно-методического материала, так и профориентацию и формирование площадки для обсуждения новейших научных результатов (профессиональных научных и молодежных форумов и т.д.). Соответственно, данная заявка не преследует и не может преследовать цель охватить все, или хотя бы даже существенную часть, аспектов данной проблемы. Тем не менее, в рамках данного проекта предполагается сделать один из первых шагов в области популяризации нанотехнологий в условиях, когда в этом уже возникла насущная общественная необходимость и актуальность образовательного подхода не вызывает сомнений в силу его запрограммированной эффективности и создания предпосылок для устойчивого, поступательного внедрения в общественное сознание положительного имиджа нанотехнологий на уровне понимания и полной осознанности выбора заинтересованной молодежью своей будущей карьеры. Таким образом, целью проекта является создание и апробация цикла научно – популярных лекций, разъясняющих основные понятия и термины, раскрывающих наиболее перспективные области использования и направления развития нанотехнологий и их современные достижения для мотивации молодежи к выбору карьеры в области наноматериалов и нанотехнологий и воспроизводству молодых кадров наноиндустрии.

Для достижения поставленной цели будет использован комплексный подход, связанный с решением следующих основных задач:

-поиск и формализация существующего достоверного учебно-научного материала в форме цикла лекций «Мир нанотехнологий» высококвалифицированными специалистами в области наноматериалов и нанотехнологий,

-апробация лекций в форме публичных выступлений, а также проведение лекций в режиме видеоконференций, организация доступа учителям и ученикам ОУ регионов РФ к лекциям путем размещения их в Интернет-лектории издательства.

-создание современных медиапродуктов на основе разработанного курса и первого опыта его практической реализации для обеспечения долговременного эффекта и повышения качества работ на долгосрочную перспективу.

Целевая аудитория: школьники старших классов, студенты, профессорско-преподавательский состав (в отношении использования дидактического материала), учителя и преподаватели общеобразовательных учреждений, системы начального и среднего профессионального образования, лица, интересующиеся нанотехнологиями, исполнители проектов РОСНАНО.

Состояние дел. В настоящий момент существует несколько десятков общепризнанных специализированных изданий в области нанотехнологий на русском языке, включая всего лишь несколько научно – популярных книг по нанотехнологиям (в том числе переводных изданий западных авторов), таких как работы К.Ю.Богданова («Что могут нанотехнологии»), Ю.Д.Третьякова («Нанотехнологии. Азбука для всех»), У.Хартмана («Очарование нанотехнологии») и др. Согласно результатам мониторинга управления научных исследований и инновационных программ Рособразования, в Российской Федерации существует не более 10 учебников и учебных пособий для ВУЗов отечественных авторов в области нанотехнологий (по нашим данным, существует не более 5-10 учебных пособий, прошедших грифование на уровне хотя бы учебно-методического объединения, примеры можно посмотреть на сайтах издательств «Бином. Лаборатория знаний» и Физматлит). Столь катастрофическое состояние дел связано с отсутствием централизованной политики федеральных органов образования в данной важнейшей области. К крупным мероприятиям, связанным с популяризацией достижений нанотехнологий можно отнести издание и распространение на Первом Международном форуме по нанотехнологиям РОСНАНО популярной литературы, изданной по материалам раздела сайта РОСНАНО «Нано – это просто», деятельность сайтов www.nanonewsnet.ru, www.nanometer.ru и др., проведение серии олимпиад «Нанотехнологии – прорыв в Будущее» (МГУ - РОСНАНО), организация в 2007 – 2008 уч.г. дистанционных Интернет-курсов по нанотехнологиям (МГУ), чтение публичных лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» Научно-образовательным центром по нанотехнологиям МГУ им.М.В.Ломоносова, проведение выставок «Красота наноматериалов» на 1-3 Фестивалях науки (МГУ), чтение открытых лекций по нанотехнологиям на 2-3 Фестивале науке, в Префектуре ЮВАО г.Москвы (МГУ), организация силами Центра перспективных технологий (МГУ) образовательных сайта и класса для дистанционной работы на атомно-силовых микроскопах (в МГТУ им. Н.Э.Баумана проводится научно-исследовательская работа со школьниками в классе АФМ без возможности дистанционной работы с приборами), проведение методических семинаров по созданию лекционных элективных курсов для школьников в рамках Московского Института Открытого Образования (силами преподавателей МГУ), деятельность передвижного класса по нанотехнологиям («Нанотрак», МКНТ) и т.д.

К сожалению, очень ограничено проведение выездных школ с чтением лекций по нанотехнологиям ведущими специалистами ведущих ВУЗов, практически полностью отсутствуют систематические попытки создания образовательных материалов для школьников. В сложившейся ситуации реализация настоящего проекта по созданию нового научно-популярного (открытого) курса «Мир нанотехнологий» является, несомненно, своевременной, востребованной и актуальной.

Описание основных планируемых работ, тактика и стратегия реализации проекта. Основные работы по проекту включают в себя три важнейшие, теснейшим образом взаимосвязанные составляющие – разработку, апробацию и публикацию курса лекций как с использованием классического инструментария, так и средствами Интернет с применением мультимедийных подходов. Проект занимает годичный период и делится на три крупных этапа.

На первом этапе «Разработка основного содержания курса» (до конца 2009 г.) будет произведен систематический анализ имеющихся материалов и создание оригинал – макетов лекций, а также аннотационных планов учебно-методических пособий по лекциям (20 лекций в формате чтения 90 минут под «1 пару» занятий со студентами и 45 минут занятий со школьниками).

На втором этапе «Апробация курса» (2010 г.) лекции будут прочитаны в устной форме отдельными членами авторского коллектива в Москве и крупнейших городах РФ, а также в режиме видеоконференций для слушателей ИПКРО, ряда ОУ и ВУЗов РФ, участников Четвертой Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям, в рамках вторых дистанционных Интернет – курсов МГУ по нанотехнологиям. В Москве формирование подобной сети будет осуществляться через Московский Институт Открытого Образования для методистов округов (для мониторинга и выбора базовых школ).

На третьем этапе «Формализация и распространение курса «Мир нанотехнологий»» лекции будут модифицированы с учетом опыта апробации исходных учебно-методических материалов. Дополнительно будут созданы видео и другие медиаматериалы, что позволит создать готовый к распространению комплексный продукт, который зафиксирует достижения проекта на высоком уровне и будет готов к использованию в основных активных точках сети, созданной на стадии апробации курса. Данный продукт будет распостранен по несколько экземпляров во все точки апробации.

Основной стратегией реализацией проекта, таким образом, является комплексный и системный подход к созданию и распространению (популяризации) курса лекций, что должно обеспечить долговременный эффект от реализации проекта в целом. По нашему глубокому убеждению, разовое чтение курса лекций без создания инструментария (информационной структуры и методической основы) для периодического вовлечения в процесс новых слушателей не будет эффективным. Тактикой реализации проекта является использование потенциала ученых и преподавателей ведущих ВУЗов России, методистов издательства и полная открытость проекта, ставящая своей задачей максимальное распространение курса среди потенциальных слушателей.

География чтения лекций и распространения образовательных материалов. Лекции будут прочитаны профессорами и преподавателями МГУ (Научно-Образовательного Центра МГУ по нанотехнологиям), МИФИ, РХТУ имени Менделеева, МИРЭА, МГТУ имени Баумана, ЛЭТИ и других ВУЗов при поддержке методической службы издательства в следующих городах: Москва, Санкт – Петербург, Белгород, Красноярск, Нижний Новгород, Омск, Новосибирск, Екатеринбург, Ростов-на-Дону, Казань, Владивосток. А также с вышеуказанными и еще 12-ью новыми регионами РФ на базе региональных ИПКРО и некоторых ВУЗов в режиме видеоконференций будут прочитаны все разработанные лекции. Электронные материалы лекции будут дополнительно переданы в следующие города, имеющие крупные образовательные центры, заинтересованные в профориентации и привлечения школьников к выбору карьеры в области нанотехнологий: Томск, Улан-Удэ, Ставрополь, Воронеж, Челябинск.

Дополнительные мероприятия по распространению и апробации курса. Особую роль в повышении эффективности реализации проекта будут играть пути распространения курса и связанных с ним медиаматериалов, методических пособий и рекомендаций, демонстрационных экспонатов. В рамках проекта (помимо обязательного чтения лекций в указанных выше крупнейших городах РФ), соответственно, предполагается реализация следующих сопутствующих мероприятий:

Реализация общеобразовательных дистанционных Интернет - курсов по нанотехнологиям силами ФНМ и НОЦ МГУ на портале www.nanometer.ru для апробации основных элементов курса.

Чтение лекций методистам административных районов г.Москвы в рамках деятельности Московского Института Открытого Образования.

Чтение лекций сотрудникам Академии повышения квалификации работников образования (г.Москва).

Апробация курса в рамках подготовки участников серии олимпиад «Нанотехнологии – прорыв в будущее», что должно позволить протестировать материал на 3 – 4 тысячах школьниках и студентах ВУЗов.

Публикация авторских материалов лекций в издательствах «Физматлит», «Бином. Лаборатория знаний».

Разработка сопутствующих медиаматериалов с публикацией в сети Интернет на федеральном портале «Нанотехнологии и наноматериалы» http://portalnano.ru, на портале www.nanometer.ru.

Апробация курса с использованием Интернет-лектория издательства на сайте http://metodist.lbz.ru.

Разработка пакета образовательных учебно-методических материалов, удобных для самостоятельного использования преподавателями на местах, на оптических носителях (DVD – диски) с целью распространения среди наиболее активных участников апробации курса «Мир нанотехнологий».



Новизна предлагаемых подходов, конкурентные преимущества. К основным оригинальным подходам, обеспечивающим конкурентные преимущества данного проекта, можно отнести следующее:

высокое качество и большой опыт профессорско–преподавательского состава, привлекаемого к созданию курса,

комплексный подход к реализации проекта,

использование современных экспериментально–практических результатов в рамках разработки курса,

привлечение методистов по всем дисциплинам естественнонаучного школьного курса,

апробация в рамках нескольких общественно-значимых мероприятий регионального уровня,

закрепление результатов реализации проекта в сети Интернет, в электронных и бумажных изданиях.



Обоснование достижения требуемого качества работ. Гарантии высокого качества и эффективности выполнения проекта обеспечиваются следующими основными факторами:

-опыт в разработке и чтении аналогичного курса лекций для менеджеров и топ – менеджеров РОСНАНО некоторыми разработчиками курса лекций,

-опыт в разработке и чтении цикла публичных лекций «Фундаментальные основы нанотехнологий» НОЦ МГУ и его оцифровка рядом привлекаемых к разработке ученых и преподавателей,

-сотрудничество с организаторами проведения серии Интернет – олимпиад «Нанотехнологии – прорыв в будущее»,

-опыт проведения общеобразовательных Интернет-курсов по информационным технологиям,

-профессиональная деятельность разработчиков курса в области экспериментальных исследований функциональных материалов и в области нанотехнологий,

-многолетний опыт работы в РФ, а также международное сотрудничество коллектива, привлекаемого к разработке, в области современных наноматериалов и нанотехнологий, в том числе и в реализации научно-исследовательских проектов федерального уровня,

-сотрудничество с ИПКРО и апробационными школами в регионах РФ,

-опыт создания ИУМК по информатике для школ РФ,

-наличие методической службы по всем предметам естественнонаучного цикла школьного образования, что позволит грамотно адаптировать разработанный курс лекций в соответствии с требованиями МОН России,

-наличие опыта по созданию курса учебно-методических материалов по информатике и ИКТ и проведение цикла обучающих мероприятий в рамках программ ИПКРО в регионах РФ,

-наличие опыта апробации учебников для ОУ РФ,

-наличие опыта разработки ЦОР для Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов РФ,

-наличие опыта при реализации проектов «Непрерывное информационное образование», «Информатизация системы образования», «Microsoft. Партнерство в образовании»,

-постоянное проведение не менее двух семинаров ежемесячно в регионах РФ,

-использование полученных материалов в учебно-методических целях посредством уже существующего Интернет-лектория издательства по информатике и ИКТ, а также по другим направлениям естественнонаучного цикла (сайт http://metodist.lbz.ru),

-наличие высококвалифицированного штата научных редакторов и методистов,

-опыт создания и успешного продвижения 8 изданий в области нанотехнологий,

- наличие «Положения о разработке и внутреннем контроле качества УМК издательства БИНОМ»,

-наличие научно-экспертного редакционного совета по нанотехнологиям.

^ 2. Тематический план лекций
Общие методические рекомендации: разработка и чтение курса лекций базируется на основном курсе «Мир нанотехнологий», который может быть для конкретной целевой аудитории дополнен (в дистанционной, очной или смешанной формах) модулем «А» (школьники и их учителя) или модулем «Б» (студенты и преподаватели), что позволяет не только гибко адаптировать материал к конкретной ситуации, но и дать больше возможностей к мотивации слушателей для дальнейшего изучения материала.


^ Основной курс «Мир нанотехнологий».

1. Что такое «нано»?

Основное содержание: что такое нанотехнологии и почему о них должны знать все, шкала масштабов, понятийные представления о микромире и наномире, представления о строении атома, основные сведения о размерных эффектах – изменения свойств вещества в состоянии наночастиц, включая физические, химические, механические, биологические характеристики, примеры «классических» и необычных нанообъектов, нанотехнологий вокруг нас, природных объектов. Что читать о нанотехнологиях (популярно и всерьез). Интернет-сайты по нанотехнологиям. Журналы по нанотехнологиям. Структура курса и советы.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль А


2. История нанотехнологий: возникновение и развитие.

Основное содержание: «древние» и «природные» нанотехнологии, ключевые события и даты, зарубежные и российские научные школы, основные наноматериалы, изобретенные на кончике пера и полученные практически с момента начала нанотехнологической эры.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


3. Прогнозы и перспективы развития нанотехнологий: результаты международных и отечественных исследований, форсайт, дорожные карты

Основное содержание: современные достижения и перспективы нанотехнологий в контексте развития высоких технологий и устойчивого развития человеческого сообщества, требования к будущим кадрам наноиндустрии, научно-практическая самоподготовка, психология и менталитет успешного исследователя наномира.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


4. Междисциплинарные аспекты нанотехнологий

Основное содержание: «классические» научные дисциплины (химия, физика, математика, механика, биология) и их взаимопроникновение в применении к нанотехнологиям, научный и практический эффект от применения нанотехнологий в настоящее время и в будущем, интеллектуальная собственность – золотой фонд будущих поколений.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль Б


5. Основные методы получения наноматериалов

Основное содержание: Классификация наноматериалов. Представления о строении атома. Электрон и его энергетические состояния. Периодическая система химических элементов как отражение периодичности строения их атомов. Энтальпия и энтропия. Фазовые переходы и диаграммы. Порядок и беспорядок. Механизмы образования конденсированных материалов (зародышеобразование и рост): монокристаллы, керамика, пленки, стекло. Фрактальные структуры и дендримеры. Парадоксы терминологии, «наножидкости», «наноплазма», «нанокластеры» и др. Два принципиально разных пути создания наноматериалов – сверху вниз и снизу вверх, химические и физические методы получения наноматериалов, литография, темплатный синтез. Понятие о кинетике и катализе. Ионная, ковалентная и металлическая связь. Водородная связь. Ван-дер-ввальсовы и дисперсионные взаимодействия. Cамосборка и самоорганизация. Супрамолекулярные соединения как мост между живой и неживой природой. Белки. Быть или не быть нанороботам.

^ Объем / учебная трудоемкость: 4 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


6. Наночастицы, получение и применения

Основное содержание: классификация наночастиц (0D, 1D, 2D, 3D ансамбли), форм-фактор, морфологическое разнообразие, гетероструктуры, супрамолекулярные материалы, химические, физические и биологические методики получения наночастиц, использование наночастиц в науке, технике, диагностике, наномедицине.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


7. Наноструктурированные материалы, получение и применение

Основное содержание: Классификация наноструктурированных материалов. Специфические методы получения отдельных классов материалов. Представления об основных функциональных свойствах материалов. Магнетизм и суперпарамагнетики. Магнитные структуры и спинтроника. Электрические и оптические свойства, «нанофотоника». Металлы и поляронный резонанс. Полупроводники и квантовые точки. «Умные» материалы и устройства записи. Сверхпроводники и центры пиннинга. Ионные проводники, наноионика, современные и перспективные химические источники тока.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2-4 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


8. Основные методы диагностики наночастиц и наноматериалов

Основное содержание: Иерархическая структура и дефекты твердого тела. Зонная структура. Классификация методов диагностики и области их применения. Рентгенодифракционные, рентгеноспектральные методы. Электронная микроскопия. Сканирующая зондовая микроскопия. Спектральные методы, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, ядерный гамма - резонанс. Магнитометрия. Метрология и стандартизация. Инструменты для нанотехнологий: измерительные, аналитические и технологические комплексы.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2-4 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


9. Нанотехнологические мифы

Основное содержание: парадигма возникновения и исчезновения новых технологий в контексте общественного отношения к ним, нанопродукты действительные и мнимые, «нанопурга». Реклама и «нанопродукты». Замалчивание достижений российских научных школ в области нанотехнологий. Рейтинг публикаций и престиж отечественной науки.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль А


10. Социальные и экономические аспекты нанотехнологий

Основное содержание: экология и нанотехнологии, нанотехнологии и современное образование, религия и нанотехнологии, нанофобии, планирование, инновации и маркетинг в области нанотехнологий.

^ Объем / учебная трудоемкость: 2 часа

Дополнительные материалы: модуль А, Б


Модуль А (по материалам имеющихся изданий)


Лекция - семинар 1. Важнейшие объекты наномира

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Наночастицы, Нанокристаллы, кластеры, Наноструктуры, Гибридные наноматериалы, Наностержни, нанокольца, Нанокомпозиты, Цеолиты, Размерные эффекты, Супрамолекулярная химия


^ Лекция - семинар 2. Наноуглерод

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Углеродные нанотрубки, Одностенные нанотрубки, Неуглеродные нанотрубки, Хиральность, Космический лифт, Графен, Фуллерены, Нанонити, Закон Холла-Петча

^ Лекция - семинар 3. Физико-химия поверхности

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Амфифильные вещества, Блоксополимеры, Жидкие кристаллы, Мицеллы, Пленки Ленгмюра-Блоджетт, Поверхностно-активные вещества, Нанотрибология, Мезопористые молекулярные сита, Коллоидные частицы


^ Лекция - семинар 4. Наносинтез

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Золь-гель, Молекулярно-лучевая эпитаксия, Лазерная абляция, Нанолитография, ФИП-нанолитография, Гетероструктуры, Тонкие пленки, Теория оборванных связей, Темлатный метод


^ Лекция - семинар 5. Самоорганизация

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Самосборка, Самоорганизация, Самоорганизованные монослои, Самособирающиеся массивы, Фотонные кристаллы, Диссипативные структуры, Фракталы, Наносферная литография, Демон Максвела


^ Лекция - семинар 6. Инструменты нанотехнологий

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Электронный микроскоп, СЗМ, АСМ, СТМ, Кантилевер, Системы нанопозиционирования, Нанотермометр, Нановесы, Нанопинцет, оптический пинцет


^ Лекция - семинар 7. Нанотехнологии здоровья

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Наномедицина, Биоматериалы, Бионанотехнологии, Нанолекарства, Нанокапсулы, Вирусы, Нанотоксичность, Нанофармакология, Наномодификаторы, Дендримеры


^ Лекция - семинар 8. Запись и хранение информации

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Устройства хранения информации, Закон Мура, Наноэлектроника, Транзистор, Одноэлектронный транзистор, Молекулярная электроника, Суперпарамагнетизм, Нанобатарейки, наноэнергетика, Фотоника


^ Лекция - семинар 9. Наноустройства

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Квантовые точки, Квантовые нити, Квантово-размерные эффекты, Туннельный эффект, Квантовые компьютеры, Энергетическая щель, Экситон, Нанометрология, единицы измерения, НЭМС, Наномашины, Наноактюаторы, Нанороботы, МЭМС


^ Лекция - семинар 10. Развитие нанотехнологий

Главы (темы) «наноазбуки» для совместного анализа: Нанобизнес, Патентование нанотехнологий, Наноиндустрия, рынок нанопродуктов, Инвестиции в нанотехнологии (ФЦНТП), Умные материалы, Военные нанотехнологии, Серая слизь, Критические технологии РФ, Кто есть кто в нанонауке


Модуль Б. (по материалам публичных лекций, читавшихся НОЦ МГУ по нанотехнологиям, существуют в форме видеозаписи, требуют перевода в удобный для освоения слушателями формат)


Лекция 1.

Основные понятия и определения наук о наносистемах и нанотехнологий. История возникновения нанотехнологий и наук о наносистемах. Междисциплинарность и мультидисциплинарность. Примеры нанообъектов и наносистем, их особенности и технологические приложения. Объекты и методы нанотехнологий. Принципы и перспективы развития нанотехнологий.


Лекция 2.

Особенности физических взаимодействий на наномасштабах. Роль объема и поверхности в физических свойствах наноразмерных объектов. Механика нанообъектов. Механические колебания и резонансы в наноразмерных системах. Сила трения. Кулоновское взаимодействие. Оптика нанообъектов. Соотношение длины волны света и размеров наночастиц. Различия в распространении света в однородных и наноструктурированных средах. Магнетизм нанообъектов.


Лекция 3.

Квантовая механика наносистем. Квантоворазмерные эффекты в нанообъектах. Квазичастицы в твердом теле и в наноструктурированных материалах. Квантовые точки. Нитевидные кристаллы, волокна, нанотрубки, тонкие пленки и гетероструктуры. Квантовые эффекты в наноструктурах в магнитном поле. Электропроводимость нанообъектов. Понятие баллистической проводимости. Одноэлектронное туннелирование и кулоновская блокада. Оптические свойства квантовых точек. Спинтроника нанообъектов.


Лекция 4.

Основные принципы формирования наносистем. Физические и химические методы. Процессы получения нанообъектов «сверху — вниз». Классическая, «мягкая», микросферная, ионно-пучковая (FIB), АСМ — литография и наноиндентирование. Механоактивация и механосинтез нанообъектов. Процессы получения нанообъектов «снизу — вверх». Процессы зародышеобразования в газовых и конденсированных средах. Гетерогенное зародышеобразование, эпитаксия и гетероэпитаксия. Спинодальный распад. Синтез нанообъектов в аморфных (стеклообразных) матрицах. Методы химической гомогенизации (соосаждение, золь-гель метод, криохимическая технология, пиролиз аэрозолей, сольвотермальная обработка, сверхкритическая сушка). Классификация наночастиц и нанообъектов. Приемы получения и стабилизации наночастиц. Агрегация и дезагрегация наночастиц. Синтез наноматериалов в одно и двумерных нанореакторах.


Лекция 5.

Статистическая физика наносистем. Особенности фазовых переходов в малых системах. Типы внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Гидрофобность и гидрофильность. Самосборка и самоорганизация. Мицеллообразование. Самособирающиеся монослои. Пленки Лэнгмюра — Блоджетт. Супрамолеклярная организация молекул. Молекулярное распознавание. Полимерные макромолекулы, методы их получения. Самоорганизация в полимерных системах. Микрофазное расслоение блок-сополимеров. Дендримеры, полимерные щетки. Послойная самосборка полиэлектролитов. Супрамолекулярные полимеры.


Лекция 6.

Компьютерное моделирование наноструктур и наносистем. Микроскопические и мезоскопические методы моделирования (Монте-Карло и молекулярная динамика, диссипативная динамика частиц, теоретико-полевые методы, методы конечных элементов и перидинамика). Сопряжение различных пространственных и временных масштабов. Молекулярное конструирование. Компьютерная визуализация нанообъектов. Возможности численного эксперимента. Примеры молекулярного моделирования наноструктур, молекулярных переключателей, белков, биомембран, ионных каналов, молекулярных машин.


Лекция 7.

Методы исследования и диагностика нанообъектов и наносистем. Электронная растровая и просвечивающая микроскопия. Электронная томография. Электронная спектроскопия. Дифракционные методы исследования. Оптические и нелинейно-оптические методы диагностики. Особенности конфокальной микроскопии. Сканирующая зондовая микроскопия: Силовая микроскопия. Спектроскопия атомных силовых взаимодействий. Туннельная микроскопия и спектроскопия. Оптическая микроскопия и поляриметрия ближнего поля. Применение сканирующей зондовой микроскопии в нанотехнологиях.


Лекция 8.

Вещество, фаза, материал. Иерархическое строение материалов. Наноматериалы и их классификация. Неорганические и органические функциональные наноматериалы. Гибридные (органо- неорганические и неоргано-органические) материалы. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурированные 1D, 2D и 3D материалы. Мезопористые материалы. Молекулярные сита. Нанокомпозиты и их синергетические свойства. Конструкционные наноматериалы.


Лекция 9.

Капиллярность и смачивание в наносистемах. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Капли на твёрдой и жидкой поверхности. Полное и неполное смачивание. Поверхностные (электростатические и молекулярные) и капиллярные силы. Гистерезис угла смачивания: роль химической неоднородности и шероховатости. Супергидрофобные поверхности. Фрактальные и упорядоченные текстуры. Эластокапиллярность. Динамика смачивания и растекания. Проблемы течения, перемешивания и сепарации в малых каналах и устройствах для микро- и нанофлюидики. Цифровая микрофлюидика, электрокинетика, анизотропные и супергидрофобные текстуры, как примеры решения проблем микро- и нанофлюидики. Приложения: самоочистка и водозащита, струйная печать, «lab-on-a-chip», ДНК-чипы, биомедицина, топливные элементы.


Лекция 10.

Катализ и нанотехнологии. Основные принципы и представления в гетерогенном катализе. Влияние условий приготовления и активации на формирование активной поверхности гетерогенных катализаторов. Структурно-чувствительные и структурно-нечувствительные реакции. Специфика термодинамических и кинетических свойств наночастиц. Электрокатализ. Катализ на цеолитах и молекулярных ситах. Мембранный катализ.


Лекция 11.

Физика наноустройств. Методы создания наноустройств. Механические и электромеханические микро и наноустройства. Сенсорные элементы микро- и нано-системной техники. Сенсоры температуры на основе термопар. Сенсоры угловых скоростей. Сенсоры магнитного поля. Микро- и нано-насосы. Интегральные микрозеркала. Интегральные микромеханические ключи. Интегральные микро- и нано-двигатели. Физические принципы работы основных элементов микро- и наноэлектроники. Закон Мура. Одноэлектронные приборы. Одноэлектронный транзистор. Одноэлектронные элементы цифровых схем.


Лекция 12.

Физика наноустройств. Устройства оптоэлектроники и наноэлектроники. Светодиоды и лазеры на двойных гетероструктурах. Фотоприемники на квантовых ямах. Лавинные фотодиоды на системе квантовых ям. Устройства и приборы нанофотоники. Фотонные кристаллы. Искусственные опалы. Волоконная оптика. Оптические переключатели и фильтры. Перспективы создания фотонных интегральных схем, устройств хранения и обработки информации. Магнитные наноустройства для записи и хранения информации. Наносенсоры: полупроводниковые, пьезоэлектрические, пироэлектрические, на