Рабочая программа дисциплины технологические процессы создания наноструктурных материалов для отраслей наноиндустрии (стр. 1 )

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ИФВТ

_____________

«____» _____________ 2011г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Технологические процессы создания наностРУктурных материалов для отраслей наноиндустрии

Специальность ООП: Материаловедение и технологии материалов

Профиль подготовки: Производство изделий из наноструктурных материалов

Квалификация: магистр

Базовый учебный план приема 2011 г.

Курс – второй Семестр – третий

Количество кредитов 4

Пререквизиты М1.В4.3 Современные проблемы науки в области технологии наноматериалов; М2.Б2 Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов; М2.В1.3 Наноматериалы на металлической и керамической основе

Кореквизиты М2.В3.3 Дифракционные, спектроскопические и зондовые методы и оборудование для диагностики структуры и свойств наноматериалов; М2.В3.3 Технология изготовления объемных наноматериалов

Вид учебной деятельности и временной ресурс:

Семестр Осенний

Лекции	18	ч. (ауд)
Лабораторные занятия	54	ч. (ауд)
Всего аудиторных занятий -	72	ч.
Самостоятельная (внеаудиторная) работа	90	ч.
Общая трудоемкость -	162	ч.
Экзамен в 3 семестре

ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная

ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра НМНТ ИФВТ

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ

Руководитель ООП

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

Содержание

1. Цели освоения дисциплины.. 3

2. Место дисциплины в структуре ООП.. 4

3. Результаты освоения дисциплины.. 4

4. Структура и содержание дисциплины.. 7

5. Образовательные технологии. 11

5.1. Работа в команде (или обучение в сотрудничестве) 12

5.2. Case-study. 13

5.3. Обучение на основе опыта. 14

5.4. Опережающая самостоятельная работа. 15

5.5. Поисковый (исследовательский) метод. 17

6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов 18

6.1. Формы организации самостоятельной работы студентов. 18

6.2. Содержание самостоятельной работы студентов. 19

6.3 Контроль самостоятельной работы.. 20

6.4 Учебно-методическое обеспечение СРС.. 21

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины.. 21

8. Рейтинг качества освоения дисциплины.. 28

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины.. 36

1. Цели освоения дисциплины

Цели освоения дисциплины «Технологические процессы создания наноструктурных материалов для отраслей наноиндустрии» в области обучения, воспитания и развития, соответствующие целям ООП, указаны в таблице 1.

Таблица 1.

Соответствие целей дисциплины целям ООП

Код цели	Цели освоения дисциплины	Цели ООП
Ц1	Подготовка студентов в вопросах применения наноматериалов в различных отраслях науки и техники, включая защиту окружающей среды.	Ц2. Магистр должен быть подготовлен к производственно-технологической деятельности, обеспечивающей внедрение и эксплуатацию новых наукоемких разработок, востребованных на мировом рынке в области производства, применения и диагностики наноматериалов и покрытий.
Ц2	Подготовка студентов в вопросах потенциальных и реальных рисков применения нанотехнологий, а также источников наночастиц для окружающей среды.	Ц2. Магистр должен быть подготовлен к производственно-технологической деятельности, обеспечивающей внедрение и эксплуатацию новых наукоемких разработок, востребованных на мировом рынке в области производства, применения и диагностики наноматериалов и покрытий.
Ц3	Формирование навыков работы с литературными источниками в области применения и оценки рисков разработки и использования наноматериалов.	Ц1. Подготовка выпускника к научно-исследовательской работе в области современного материаловедения, создания новых материалов, исследования их свойств, разработки технологии их получения, конструирования материалов с заданными свойствами на базе компьютерных технологий. Ц5. Подготовка выпускника к самостоятельному обучению и освоению новых профессиональных знаний и умений, непрерывному профессиональному самосовершенствованию в условиях автономии и самоуправления.
Ц4	Формирование навыков написания, оформления и защиты реферата по заданной проблеме.	Ц4. Магистр должен быть подготовлен обосновывать и отстаивать собственные заключения и выводы в аудиториях разной степени профессиональной ориентации, заниматься организационно-управленческой деятельностью в междисциплинарных областях производства, осознавать ответственность за принятие своих профессиональных решений, работать в интернациональной команде.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Технологические процессы создания наноструктурных материалов для отраслей наноиндустрии» является частью профессионального цикла дисциплин ООП подготовки магистров по направлению 150100 «Материаловедение и технология материалов».

Дисциплина является обязательной для освоения студентом дисциплиной. Дисциплина основывается на знаниях, полученных студентами при изучении общей и неорганической химии, общей экологии, аналитической химии и общей теоретической физики. Также дисциплина основывается на базовых знаниях, полученных студентами при изучении химии и биологии в курсе средней школы. Студенты владеют основной терминологией в области термодинамики, молекулярной физики, электричества и магнетизма, оптики, атомной и ядерной физики, а также знаниями об атомно-молекулярном учении, химическом взаимодействии, химической кинетики, электрохимии. Также они владеют химической терминологией, понимают основные химические и физические явления, а также знают основы классификации биологических организмов и основы экологии.

3. Результаты освоения дисциплины

После изучения дисциплины «Технологические процессы создания наноструктурных материалов для отраслей наноиндустрии» студент:

Знает:	­  основное содержание и структуру курса, а также взаимосвязь курса с другими областями естествознания – экологией, медициной, химией, физикой, биологией и др. общеинженерными и специальными науками; ­  области применений различных типов наноматериалов и актуальных проблем современного теоретического и экспериментального материаловедения в Российской Федерации и в мире; ­  основные направления применения нанотехнологий для науки, техники, человеческого быта в настоящем и в перспективе; ­  промышленные и полупромышленные методы получения наноматериалов с точки зрения анализа выделения наночастиц в окружающую среду; ­  основные свойства наноматериалов и методы определения этих свойств в окружающей среде; ­  основные источники выделения и механизмы миграции наночастиц в окружающей среде, включая гидросферу, атмосферу и биосферу; ­  основные биологические эффекты взаимодействия наноматериалов и окружающей среды.
Умеет:	­  классифицировать наноматериалы по их назначению и свойствам; ­  диагностировать и тестировать структуру и свойства производимых наноматериалов; ­  пользоваться рекомендованной литературой при изучении вопросов анализа, оценки и управления рисками применения нанотехнологий ­  пользоваться рекомендованной литературой при изучении вопросов анализа, оценки и управления рисками применения нанотехнологий; ­  оценивать потенциальные риски использования наноматериалов; ­  классифицировать наноматериалы по степени их воздействия на окружающую среду, включая вопросы безопасности при их производстве.
Владеет:	­  способами оценки рисков использования наноматериалов; ­  экспериментальными навыками изучения состава и свойств продуктов взаимодействия наноматериалов и биологической среды; ­  способами определения скорости растворения наноматериалов в биологической среде; ­  навыками написания и оформления отчетов о учебно-исследовательской работе в рамках курса; ­  навыками самостоятельной подготовки и организации научных мини-групп для решения поставленных научно - исследовательских задач ­  рентгеновском дифрактометре; ­  навыками написания и оформления отчетов о учебно-исследовательской работе в рамках курса; ­  навыками самостоятельной подготовки и организации научных мини-групп для решения поставленных научно - исследовательских задач

Результатами обучения в процессе освоения дисциплины являются универсальные и профессиональные компетенции, представленные в таблицах 2 и 3. Результаты обучения приведены в соответствии с результатами обучения ООП направления подготовки 150100 Материаловедение и технологии материалов.

Таблица 2.

Универсальные (общекультурные) компетенции

Результаты обучения в рамках дисциплины	Результаты обучения ООП
Р 1.  Способность студента следовать социально-значимым представлениям о здоровом образе жизни.	Р9. К педагогической деятельности; эффективно работать в качестве члена и руководителя группы, состоящей из специалистов различных направлений и квалификаций, демонстрировать ответственность за результаты работы с учетом вопросов безопасности и здравоохранения, юридических аспектов, влияния инженерных решений на социальный контекст и окружающую среду
Р 2.  Способность студента овладеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером для обработки экспериментальных результатов	Р6. Анализировать и систематизировать  научно-техническую информацию, передовой отечественный и зарубежный опыт в области современного материаловедения; готовить отчетную документацию по проведенным исследованиям, документы по защите интеллектуальной собственности.
Р 3.  Способность студента использовать в профессиональной деятельности литературные источники на иностранном языке.	Р8. Владеть иностранным языком на уровне, позволяющем работать в иноязычной среде, разрабатывать документацию, презентовать и защищать результаты инновационной инженерной деятельности
Р 4.  Способность студента применить основные методы индивидуальной защиты производственного персонала от попадания наночастиц в организм через дыхательные пути и кожу.	Р7. Комплексно оценивать и прогнозировать тенденции и последствия развития науки в области изготовления, диагностики и применения наноматериалов, применяя знание внутри - и междисциплинарных связей в сфере профессиональной деятльности; разрабатывать проектную, рабочую и эксплуатационную документацию с учетом юридических, экономических, социальных и экологических аспектов в сотрудничестве со специалистами смежных отраслей

Таблица 3.

Профессиональные компетенции

Результаты обучения в рамках дисциплины	Результаты обучения ООП
Р 5.  Способность студентов определять реальные и потенциальные источники выделения наночастиц в окружающую среду, включая атмосферу, гидросферу и биосферу.	Р1. Использовать глубокие естественнонаучные и математические знания и современные представления наук о материалах  при применении и исследовании изделий из объемных наноматериалов на основе нанопорошков а также других видов наноматериалов. Р7. Комплексно оценивать и прогнозировать тенденции и последствия развития науки в области изготовления, диагностики и применения наноматериалов, применяя знание внутри - и междисциплинарных связей в сфере профессиональной деятльности; разрабатывать проектную, рабочую и эксплуатационную документацию с учетом юридических, экономических, социальных и экологических аспектов в сотрудничестве со специалистами смежных отраслей.
Р 6.  Способность студентов к работе и анализу информации, полученной из литературных источников, а также к написанию, оформлению и защите лабораторной работы и реферата по заданной проблеме в области вредного воздействия наноматериалов на окружающую среду.	Р6. Анализировать и систематизировать  научно-техническую информацию, передовой отечественный и зарубежный опыт в области современного материаловедения; готовить отчетную документацию по проведенным исследованиям, документы по защите интеллектуальной собственности.
Р 7.  Способность студента к обработке, анализу и представлению экспериментальных результатов определения состава, морфологии, дисперсности и свойств нанопорошков в окружающей среде.	Р2. Внедрять, эксплуатировать и обслуживать современное высокотехнологичное оборудование для получения объемных материалов и наноматериалов на основе порошков, обеспечивать их высокую эффективность, соблюдать правила охраны здоровья и безопасности труда на рабочем месте, выполнять требования по защите окружающей среды. Р4. Внедрять, эксплуатировать и обслуживать современное оборудование для исследования состава и структуры, тестирования эксплуатационных свойств объемных материалов и наноматериалов на основе порошков и изделий из них, включая стандартные и сертификационные испытания материалов, изделий и процессов
Р 8.  Способность студентов демонстрировать знания в отношении областей наноиндустрии, как междисциплинарной области знаний, классификации и наиболее эффективных областях применения углеродных, металлических и полимерных наноматериалов.	Р1. Использовать глубокие естественнонаучные и математические знания и современные представления наук о материалах  при применении и исследовании изделий из объемных наноматериалов на основе нанопорошков а также других видов наноматериалов.

4. Структура и содержание дисциплины

Введение

Цель и актуальность чтения дисциплины. Растущий рынок наноиндустрии. Развитие нанотехнологий в России и за рубежом. Накопление данных о токсических свойствах наночастиц. Становления нанотехнологий. Открытие сканирующей зондовой микроскопии. Открытие фуллерена. Нормативная база РФ в области наноиндустрии. Баланс «применение-защита-контроль» в наноиндустрии.

Модуль 1.  Классификация наноматериалов

Понятие «наноматериалы». Неотъемлемые свойства наноматериалов. Дополнительные характеристики. Критерии нанодиапазона. Термины: «нанообъекты», «наносистемы», «нанотехника» и т. д. Классификация по размеру объекта и изделия. Классификация наноматериалов по размерности. Понятие «дисперсность». Способы описания дисперсности порошковых материалов. Методы определения дисперсности наноматериалов в различных объектах окружающей среды. Классификация наноматериалов по фазовому составу. Классификация наноматериалов по природе нанофазы. Физические формы наноматериалов. Углеродные наноматериалы. Свойства и структура углеродных наноматериалов. Свойства углеродных нанотрубок. Фуллерены, фуллериты, фуллериды. Открытие фуллеренов. Особенности строения фуллеренов. Физико-химические свойства фуллеренов в водных суспензиях. Графен. Материалы на металлической основе. Квантовые точки. Нанокристаллы металлов и их соединений. Нанопорошки металлов и оксидов металлов. Классификация нанопорошков. Нанокомпозиты. Нанопленки. Полимерные наноматерилы. Дендритные структуры.

Модуль 2.  Применение наноматериалов в медицине и биотехнологиях.

Концепция «адресная доставка лекарств». Технологии капсулирования лекарств. Способы целевой доставки лекарств. Наноматериалы в фармакологии. Установление диагноза с помощью наноматериалов. Методы нанодиагностики патологических состояний и инфекций. Способы размещения нанолабораторий. Совместное применение наноматериалов и дополнительных воздействий. Управление скоростью химических реакций. Наноструктурированные биосовместимые материалы.

Модуль 3.  Применение наноматериалов в электронной промышленности.

Основные понятия микроэлектроники. Зонная теория твердого тела. Основные компоненты электроники. Интегральная микросхема. Тенденции развития микроэлектроники. Измерение информации. Закон Мура. Экономика Мура. Функции и задачи наноэлектроники. Основные парадигмы наноэлектроники. Будущее с кремнием и без. Кремний – ключевой материал наноэлектроники. Методы получения наноструктур для наноэлектроники. Сканирующая зондовая микроскопия. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Нанолитография. Лучевые методы литографии. Альтернативыне методы литографии. Наноимпринтинг.

Модуль 4.  Разработка наноматериалов для легкой промышленности и защиты окружающей среды.

Наночастицы диоксида титана, оксида цинка. Фотокаталитические свойства наночастиц. Применение наноматериалов в косметической промышленности, производстве белил и красок. Наночастицы серебра. Применение наноматериалов для антибактериальной обработки. Адсорбенты на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха. Фильтры и мембраны на основе наноматериалов в водо - и воздухоочистных технологиях. Реагенты на основе наноматериалов для очистки воды. Применение наноматериалов для трибологических составов. Разработка нанокатализаторов. Применение наноматериалов для восстановления углеводородов.

Модуль 5.  Источники поступления наночастиц в окружающую среду

Промышленное производство наноматериалов. Получение фуллеренов методом термического распыления графитового электрода в плазме дугового разряда. Электродуговой разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы. Получение нанопорошков методом газофазного синтеза. Плазмохимический синтез. Измельчение материалов механическим путем. Лаборатория по получению и исследованию наноматериалов. Намеренные источники. Природные источники. Кластеризация в газах и образование аэрозолей. Лесные пожары. Вулканические выбросы. Пыль, поднятая с поверхности. Взмучивание вод вирусы продукты жизнедеятельности (пленки, коллоиды и т. д.) биообъекты (пыльца растений, споры, бактерии и т. д.). Антропогенные источники. Сжигание топлива и мусора. Добыча полезных ископаемых. Бытовые отходы.

Модуль 6.  Пути миграции наночастиц в окружающей среде

Определение, классификация и свойства коллоидных систем. Основные свойства коллоидных систем. Гетерогенность. Поверхностная энергия фазы и свободная энергия фазы. Адсорбция. Коагуляция, пептизация, седиментация и диффузия. Образование золей из наночастиц и механизмы их коагуляции. Механизмы коагуляции частиц с размером 1-100 нм. Теория коагуляции ДЛВО. Образование наночастицами аэрозолей в атмосфере. Молекулярно-кинетические и электрические свойства аэрозолей. Седиментационная и агрегационная устойчивость аэрозолей. Адгезия и диффузия наночастиц в почве. Влияние абиотических факторов на свойства наночастиц. Присутствие электролитов и ионная сила раствора. Соленость воды. Заряд поверхности. Кислотность среды. Влияние органических соединений. Миграция наночастиц в окружающей среде. Виды взаимодействия наноматериалов с окружающей средой. Схема миграции наночастиц в окружающей среде. Миграция наночастиц через трофические цепи. Механизмы взаимодействия наноматериалов, биологических объектов и окружающей среды. Миграция нанообъектов в организме человека. Попадание наночастиц через дыхательные пути. Физические механизмы перемещения наночастиц. Поступление нанообъектов через желудочно-кишечный тракт. Попадание наночастиц через кожный покров. Пути миграции и выведения наночастиц из организма человека

Попадание наночастиц из респираторного тракта в и центральную нервную кровеносную системы. Выведение наночастиц из организма.

Модуль 7.  Биологические эффекты взаимодействия с наноматериалов и окружающей среды

Новые разделы науки – нанотоксикология и наноэкотоксикология. История нанотоксикологии. Токсичность: количественное определение. Биологическое действие наноматериалов. Проникновение наночастиц внутрь живой клетки. Механизмы проникновения наночастиц в клетку. Положительное биологическое действие наноматериалов. Механизмы токсичного действия наноматериалов на клетку. Доставка примесей тяжелых металлов. Механические разрушения клеток. Биохимический катализ. Образование свободных радикалов. Механизм образования свободных радикалов с участием металлических частиц. Механизм образования свободных радикалов с участием углеродных наноматериалов. Токсическое действие наноматериалов. Острое токсическое воздействие наночастиц на млекопитающих. Острое токсическое действие наночастиц на примере беспозвоночных. Влияние наночастиц на микробиологическую активность почв. Токсичность наночастиц по отношению к растениям. Зависимость токсичности наноматериалов от абиотических факторов. Связь размеров (дисперсности) нанообъектов с их токсическим свойствами. Влияние способа введения и вида биологического объекта на токсичность наночастиц. Влияние концентрации и дозы на токсичность наночастиц. Влияние формы наночастиц на их токсичность. Влияние состава и химических свойств наночастиц на их токсичность. Влияние примесей и степени очистки наноматериалов на их токсичность.

Модуль 8.  Оценка рисков воздействия наноматериалов на окружающую среду

Токсикологическое исследование наноматериалов. Характеристики наноматериалов в токсикологии. Физические и физико-химические характеристики. Молекулярно-биологические и цитологические характеристики. Экологическая характеристика. Особенности токсикологических исследований наноматериалов. Диспергирование наноматериалов в растворах. Получение и доставка аэрозолей, содержащих наноматериалы. Выбор «дозы» в нанотоксикологии. Методы определения доз наночастиц в аэрозоле. Микроскопические методы определения наночастиц в окружающей среде. Оптическая микроскопия ближнего поля. Конфокальная или флуоресцентная микроскопия. Просвечивающая электронная микроскопия.

Сканирующая электронная микроскопия. Зондовая микроскопия. Хроматографические методы изучения наночастиц в окружающей среде. Эксклюзионная хроматография. Электрофорез. Гидродинамическая хроматография. Фракционирование в поперечном поле сил. Спектроскопические методы определения наночастиц в окружающей среде. Метод определения общего содержания углерода. Спектроскопия ультрафиолетового и видимого света. Электронная Оже-спектроскопия. Масс-спектроскопия вторичных ионов. Лазерный микрозондовый анализ. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. ИК-спектроскопия. Рамановская спектроскопия. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Явление плазмонного резонанса. Дифракционные методы изучения наночастиц в окружающей среде. Динамическое рассеяние света. Лазерная дифракция. Рентгеновская дифрактометрия. Оценка рисков воздействия наноматериалов на окружающую среду и человека. Понятие и виды рисков для окружающей среды и человека. Условия для возникновения риска воздействия наноматериалов на здоровье человека и экосистему в целом. Основные этапы оценки риска воздействия наноматериалов. Оценка риска с учетом жизненного цикла наноматериалов. Соблюдение правил безопасности при работе с наноматериалами. Средства индивидуальной защиты (СИЗ). Социальные риски развития нанотехнологий.

Структура дисциплины по разделам и видам учебной деятельности (лекция, лабораторная работа, практическое занятие, семинар, коллоквиум, курсовой проект и др.) представлена в таблице 4.

Таблица 4.

Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения

№ п/п	Название модуля	Аудиторная работа (час)	СРС (час)	Колл, Контр. Р.	Итого
ЛК	ПЗ	ЛБ
	Введение	2	0	0	4	-	6
1)	Классификация наноматериалов	0	6	4	8	КР1	18
1)	Применение наноматериалов в медицине и биотехнологиях	2	0	0	12	колл.	14
2)	Применение наноматериалов в электронной промышленности	2	0	8	14	колл.	24
3)	Разработка наноматериалов для легкой промышленности и защиты окружающей среды	2	0	0	12	КР2	14
4)	Источники поступления наночастиц в окружающую среду	4	4	0	10		18
5)	Пути миграции наночастиц в окружающей среде	4	8	0	10		22
6)	Биологические эффекты взаимодействия с наноматериалов и окружающей среды	2	6	4	10	Инд. задание	22
7)	Оценка рисков воздействия наноматериалов на окружающую среду	0	8	6	10	Экз.	24
	Итого	18	32	22	90		162

5. Образовательные технологии

Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражена в таблице 5. Перечень методов обучения и форм организации обучения может быть расширен.