Молекулярное моделирование плоских углеродных структур от бензола до графена в образовательных целях
Молекула – важнейший физический объект. Необходимо иметь хоть какой-то визуальный образ интересующих нас молекул с тем, чтобы он в той или иной степени отражал свойства самой молекулы и вещества, состоящего из этих молекул. Между тем, непосредственно увидеть молекулы невозможно из-за её чрезвычайно маленьких размеров – размер молекул лежит в нанодиапазоне. В настоящее время удаётся «разглядеть» молекулы и даже атомы с помощью, например, электронного микроскопа, но структура молекулы в электронный микроскоп едва различима и понятна только специалистам. Поэтому так важно, в особенности для образовательных целей, правильно смоделировать молекулу с тем, чтобы наглядно представить её структуру, на основании которой можно было бы уже комментировать её свойства и характер взаимодействия с другими молекулами. К данной задаче вплотную примыкает задача моделирования объектов, которые относятся к т. н. нанотехнологиям.
Статья посвящается созданию компьютерной программы, позволяющей моделировать плоские углеродные структуры.
Ключевые слова: молекулярное моделирование, образование, мультимедийность, нанотехнологии.
Molecule is the most important physical object. We must have at least some visual pictures of the molecules of interest to us, so that they more or less reflect the properties of the molecule itself and the substance consisting of these molecules. Meanwhile, we cannot see the molecule directly because of its extremely small size - the size of molecules is in the nanoscale. At the present time scientists can see molecules and even atoms with, for example, electron microscope, but the structure of the molecule in the electron microscope is barely distinguishable and only the specialists can understand it. That is why it is so important, especially for educational purposes, properly simulate the molecule to visualize its structure, under which they could have to comment on its properties and interaction with other molecules. This problem is closely connected with the problem of modeling the objects that belong to the so-called nanotechnology.
This article is dedicated to the creation of a computer program that will simulate the flat carbon structures.
Keywords: Molecule, computer program, education, nanotechnology.
Развитие микроэлектроники, нанотехнологий, биотехнологий и других современных направлений техники требует от специалистов, работающих в этих областях, да и от пользователей всё большего понимания атомно-молекулярной структуры вещества. Школьное и высшее образование должно соответствовать новым требованиям [1, 5]. По нашему мнению, традиционные усилия по преподаванию молекулярно-кинетической теории, основ квантовой механики, химии и пр. следует дополнить знакомством учащихся с новейшими материалами современной техники и способами их получения; желательно это делать с использованием современных учебных технологий. Эта работа будет более продуктивной, если будет основана на достаточно простых и конкретных физических идеях[2, 24].
Нами в качестве материала, с которым интересно было бы познакомить школьников и студентов, был выбран графен, очень популярная и перспективная наноструктура [3]. Но само знакомство с графеном мы решили построить таким образом, чтобы оно сопровождалось усвоением определённых научных и технологических понятий и идей. Конечно, в условиях обычной школы или вуза нет возможности показать реальный образец графена и, тем более, продемонстрировать его свойства. Естественный путь решения этой проблемы – это компьютерное моделирование. Нами была создана компьютерная программа (простой молекулярный конструктор), которая позволяет не только моделировать атомную структуру графена, но и даёт возможность подойти к пониманию этой совершенно новой структуры, последовательно строя хорошо известные молекулы определённых веществ. Конечно, для построения моделей молекулярных структур можно было воспользоваться известными программами, например, Chemical Office. Однако она стоит денег, и научить преподавателя и учащихся уверенно пользоваться сложной универсальной программой не так-то просто, в учебном процессе на это просто нет времени. А неуверенное пользование сложной программой будет, по нашему мнению, сильно отвлекать преподавателей от проведения ознакомительной и образовательной работы, а учащихся – от усвоения новых знаний. Поэтому мы сделали выбор в пользу создания простой компьютерной программы, «заточенной» на достижение конкретной образовательной цели.
Далее мы продемонстрируем основной вариант работы с предложенной программой (простым молекулярным конструктором), попутно обсуждая технические и образовательные возможности программы.
На рис. 1 показана модель молекулы метана (СН4).
 |
Рис. 1. Начальный этап работы с программой. Атом метана.
Атом углерода представлен чёрным кружком, атомы водорода – белыми кружками чуть меньшего размера. То, что видно только 3 атома водорода, несущественно для наших целей и объясняется ограниченными возможностями нашей программы[1], на которые пришлось пойти ради простоты. Кстати, всегда можно дать комментарий о том, что четвёртый атом водорода не виден, потому что «спрятан» за атомом углерода. Поскольку графен – углеродная структура, основным «строительным» элементом нашего конструктора является атом углерода, а атомы водорода нужны для того, чтобы разговор о валентностях был осмысленным. В нашем конструкторе атомы соединяются друг с другом чертой. Не всегда, как это будет потом видно, эти чёрточки соответствуют правильным значениям валентности, это тоже ограничение нашей программы, не влияющее, с нашей точки зрения, на достижение основной цели.
Следующий этап работы – построение молекулы бензола (С6Н6), см. рис. 2.
Рис. 2. Этапы построения молекулы бензола.
Для этого последовательно к первому атому углерода присоединяют с помощью специальной процедуры второй, третий и т. д. атомы, пока не замкнётся кольцо. Конечно, реально получение молекулы бензола происходит совершенно по-другому. Поэтому здесь следует акцентировать внимание учащихся только на числе атомов углерода, необходимых для построения молекулы бензола, на плоскостной структуре молекулы бензола (все шесть атомов углерода и все шесть атомов водорода находятся в одной плоскости), что для наших целей очень важно, и на замкнутой (кольцевой) структуре молекулы бензола. При замыкании кольца в процессе построения молекулы бензола кроме чёрточек, соединяющих атомы, появится и кольцо, расположенное внутри молекулы бензола и олицетворяющее сопряжённость связей между атомами углерода в молекуле бензола.
С этого момента можно уже сопоставлять свои действия с конечной целью – графеном, который, как известно, представляет из себя плоское образование из множества бензольных колец. Но прежде, чем собрать на нашем конструкторе структуру графена, имеет смысл задержать внимание учащихся на промежуточных структурах, таких как нафталин, антрацен, фенантрен, коронен и т. п. (рис. 3.)
Рис. 3. Построенные модели молекул нафталина, антрацена, фенантрена и коронена.
Построение моделей этих молекул производится последовательным присоединением атомов углерода в определённые места ранее построенной структуры. Здесь есть выбор путей присоединения очередного атома углерода для получения той или иной молекулярной структуры. В процесс построения перечисленных ранее молекул нужно сделать акцент на следующих важных обстоятельствах: все молекулы «сделаны» из атомов одного химического элемента – углерода (атомы водорода, «обрамляющие» эти молекулы по краям, не играют в данных рассуждениях существенной роли); более того, все молекулы «собраны» из разного количества бензольных колец, причём важно не только количество колец, но и как они присоединены друг к другу; у учащихся есть возможность выстраивать различные ряды молекулярных структур и следить при этом за симметрией и, можно так сказать, за красотой получаемых структур (например, ряд: бензол, нафталин, антрацен, тетрацен и т. д.). Может быть не сразу, а при следующих обращениях к данной программе, можно проследить и за изменением физических и химических свойств веществ, обладающих данными молекулярными структурами (например, метан – газ, бензол – жидкость, нафталин – порошок). Чем больше у молекулы бензольных колец, тем труднее комментировать её свойства, поэтому в какой-то момент построения надо сделать качественный скачок и перейти уже собственно к графену.
Сколько бензольных колец должна содержать получаемая таким образом структура, чтобы её можно было назвать графеном? Здесь нет никаких договорённостей, ясно только, что много: может быть несколько десятков. Во всяком случае структуры с таким числом бензольных колец специально получают и исследуют, называя их полосками графена. И в нашем построении с помощью простого молекулярного конструктора надо где-то остановиться и назвать полученную структуру графеном, см. рис. 4.
 |
Рис. 4. Модель графена.
Теперь пришла пора поговорить о свойствах графена. Прежде всего, отметим ещё раз, что это плоская структура толщиной в один атом (!), при этом площадь такой структуры может быть очень большой. Программа позволяет покрутить построенный фрагмент графена и рассмотреть его структурные особенности[2]. Отметим необычайную прочность графена, что является следствием его совершенной (бездефектной) атомной структуры. Графен хорошо проводит тепло и электричество, при этом опять заметим, что это происходит вдоль его плоскости, структура двумерна, что, согласитесь, очень необычно. Хорошая электропроводность получается, в частности, из-за сопряжённой структуры химических связей в составляющих графен бензольных кольцах. Полоска графена, помещённая на специальную подложку, демонстрирует уже полупроводниковые свойства, транзисторы на графене уже построены и имеют неплохие характеристики. Графен созвучен графиту и, действительно – он его родственник. По сути, графит это графен, плоскости (их много) которого сложены одна на другую так, что получается уже трёхмерная структура. Предложенная программа позволяет мультиплицировать ранее построенную графеновую плоскость и получить графитовую структуру. Структура графита изучается в школе, его можно подержать в руках (грифель карандаша). Обычно заостряют внимание на анизотропии свойств графена, что является прямым следствием особенностей его структуры. Школьники знают, что грифель «пишет» потому, что прочность графита неодинакова по разным направлениям, и в определённом направлении легко сдвинуть несколько слоёв графита простым нажатием карандаша. Но слои графита – это же несколько слоёв графена. Так «встречаются» старый, хорошо известный, и новейший, очень перспективный, материалы.
Предложенная простая компьютерная программа позволяет в ходе творческого молекулярного (модельного) конструирования, опираясь на известные и довольно простые химические структуры, прийти к пониманию структуры новейшего наноматериала – графена. Попутно имеется возможность обсудить свойства получаемых структур, соотнести структуру графена со структурой графита и, пусть в идеализированной форме, приобщиться к пониманию основного принципа нанотехнологий: построение необходимых молекулярных структур не путём химических реакций, не путём механического измельчения, а путём построения заданной структуры, присоединяя последовательно атом за атомом в нужные места структуры.
С данной программой весьма успешно и заинтересованно работали школьники, с её помощью проведено несколько лекций в курсе «Введение в нанотехнологии». Мы полагаем, что образовательная эффективность данной программы весьма удовлетворительная.
Авторы благодарят за помощь при создании программы.
Список литературы.
1. Гребенкин М.Ф., Нанотехнологии и школьное образование // Прикладная информатика. – 2008. – №2.
2. П. Нанотехнологии и школьное образование // Физика в школе. – 2009. – №3.
3. А. И вновь о графене и нанотрубках [Электронный ресурс] / //Публикации нанотехнологического сообщества «Нанометр»: [web-сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»]. ¾ Режим доступа: http://www. *****/2009/05/02/grafen_155067.html (дата обращения: 25.11.2009).
Молекулярное моделирование плоских углеродных структур от бензола до графена в образовательных целях
Molecular modeling of flat carbon structures from benzol to graphen in educational purposes
Сведения об авторах
1, 2
1Доктор физико-математических наук, профессор кафедры математики и прикладной информатики Международного Университета природы, общества и человека «Дубна», филиал «Дмитров»;
ГОУ ВПО «Международный Университет природы, общества и человека «Дубна»,
Филиал «Дмитров»;
Московская обл., 5;
e-mail: *****@***ru.
2 Учитель физики; соискатель кафедры системного анализа и управления Международного Университета природы, общества и человека «Дубна»;
МОУ Дмитровская средняя общеобразовательная школа №1 им. ;
Московская обл., 1;
e-mail: *****@***com. Тел: 3-80.
1Doctor of technology, professor of the Department of Mathematics and Applied Informatics;
International University of the nature, society and man «Dubna»,
Branch «Dmitrov»;
Dmitrov, Moscow reg., Makhalina str., 19;
e-mail: *****@***ru.
2The teacher of physics; Dmitrov School № 1 named after V. I. Kuznetsov;
Moscow reg., Dmitrov, Shkolnaya str., 11;
the applicant of the Department of System Analysis and Management,
International University of the nature, society and man «Dubna»,
e-mail: *****@***com. Tel: 3-80.
[1] Моделирование ведётся в плоскости.
[2] Кстати, покрутить можно и любую прежде построенную молекулу, которая также имеет плоскую структуру. Неудобством программы является однако то, что после «прокруток», дальнейшее построение невозможно, и надо начинать всё с начала.
