Наноинжиниринг и компьютерные нанотехнологии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«УТВЕРЖДАЮ» Первый проректор по учебной работе профессор «____» ___________________ 2010 г.

НАНОИНЖИНИРИНГ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

П Р О Г Р А М М А

повышения квалификации научно-педагогических работников федеральных

государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования по приоритетному направлению «Проблемы подготовки кадров по приоритетным направлениям науки, техники, критическим технологиям, сервиса и других сфер,

относящихся к национальным интересам России»

СОГЛАСОВАНО:

Проректор по качеству

образовательной деятельности

Директор ЦППКП

Барнаул 2010
I. ВВЕДЕНИЕ

Основой прорывного развития в области наноиндустрии является корпоративный характер научно-исследовательских, проектно-внедренческих работ коллективов материаловедов, химиков, биологов, физиков, компьютерных модельеров и других специалистов. Поэтому повышение квалификации всех этих категорий специалистов требует использования универсальных когнитивных методик, базирующихся на использовании креативных сред обучения. Эти среды формируются на основе применения компьютерных мультимедийных программно-обучающих комплексов. Данный аспект учтен при создании программы повышения квалификации «Наноинжиниринг и компьютерные нанотехнологии». Эта программа является результатом многолетней практики подготовки специалистов химиков, физиков в области междисциплинарного направления нанонаук, нанотехнологий и наноматериалов в Алтайском государственном университете.

Программа адресована преподавателям высших учебных заведений, осуществляющим подготовку химиков, физиков, материаловедов (бакалавров, специалистов, магистров) и занимающимся научной работой в сфере наноиндустрии.

Изучение курса опирается на имеющиеся у слушателей знания теории и практики в области таких современных междисциплинарных направлений, как наноэлектроника, наноматериалы, компьютерное моделирование, а также знания по математическому анализу; линейной алгебре; интегральному и дифференциальному исчислению; теории дифференциальных уравнений; информатике и программированию; физике; квантовой механике и квантовой химии; строению вещества; физико-химическим методам исследования; физической химии; математической химии.

Цель программы – расширение и углубление фундаментальной и практической подготовки слушателей в области новых фундаментальных подходов к описанию процессов обмена энергией, энтропией и информацией в открытых наноструктурах вещества, связанных с разработкой принципиально новых нанотехнологий, базирующихся на эксплуатации свойств особых объектов наноуровня.

Задачи программы:

– овладение знаниями основ физической химии наноструктурных веществ, квантово-статистических методов исследования наносистем, физических и математических методов компьютерного моделирования фемтосекундных нанопроцессов, об основных принципах экспериментальных и теоретических методов исследования, проектирования, производства и использования наноструктурных материалов;

– создание условий для освоения современной концепции многоуровнего строения вещества и вычислительного комплекса «Компьютерные нанотехнологии», позволяющего проводить дизайн наносистем материалов произвольной фрактальной размерности и формы на основе компьютерной имитации процессов контролируемой самосборки агрегатов квантово-размерных мультиструктурных наночастиц;

– формирование у слушателей умений, связанных с применением комплекса «Компьютерная нанотехнология» для дизайна и имитации управления процессами самоорганизации адаптивных объёмных наноматериалов и наноструктурированных покрытий на основе графена, нанотубулярного углерода, фрактальных кластеров переходных металлов, водорода;

– формирование умений применять комплекс «Компьютерные нанотехнологии» для дизайна и имитации управления процессами самоорганизации нанослоевых гетероструктур выпрямляющих контактов на основе интерфейса между переходными металлами и полупроводниками типа AIII-BV, AIII-BVI;

– формирование умений применять комплекс «Компьютерные нанотехнологии» для дизайна и имитации управления процессами полиморфных и полиаморфных фазовых переходов в наноструктурированных системах типа аморфного и клатратного льда, оксида кремния, углерода;

– овладение участниками прпограммы классификацией проблем современной физической химии наносистем и выявление возможных путей их решения;

– совершенствование навыков решения поставленных задач посредством математического аппарата и компьютерного моделирования;

– определение перспективных направлений ускоренного развития физической химии наносистем.

Программу предваряет инвариантный блок, раскрывающий процессы модернизации в высшем профессиональном образовании современной России и призванный сформировать у слушателей представление о ведущих тенденциях развития отечественного профессионального образования, обеспечить понимание новых приоритетов государственной политики в этой области, знание нормативно-правовой базы современной профессиональной школы. Целевые ориентиры данного блока заключаются также в том, чтобы рассмотреть психолого-педагогические аспекты профессиональной деятельности вузовского педагога в контексте происходящих в обществе и системе высшего образования перемен, дать мощный импульс профессионально-личностному развитию преподавателей, обновлению их профессионального мировоззрения, перестройке мотивационной, ценностно-смысловой, когнитивной, операциональной и других сфер личности, инициировать внутренние механизмы саморазвития в условиях модернизации высшей школы.

В программе на основе мультимедийных средств и интернет-ресурсов в режиме креативного обучения проводится интерактивное групповое и индивидуальное исследование свойств наносистем, определяющих их необычные свойства, в частности, их адаптационное «поведение». Освоение программы даёт неограниченный ресурс для ее участников при создании на наноуровне устройств, выполняющих в фемтосекундном режиме измерение, контроль и управление наносистемами вещества. В процессе обучения решаются основные задачи инжиниринга, включающие в себя разработку методов моделирования, расчёта и конструирования наносистем, а также проведения компьютерных экспериментов по исследованию фемтосекундных мульти-кинетических процессов для перспективных при создании наноустройств нового поколения на основе магнитных кластеров железа, кобальта и никеля, поликонденсатов водорода с нанотубулярным углеродом и его изоэлектронными аналогами.

Основными приоритетами программы повышения квалификации являются вопросы: современной концепции, основ математического аппарата и методов описания фемтосекундной мульти-кинетики наносистем; освоения методов расчёта дискретно-алгоритмической кинетики наносистем с использованием методов квантово-полевой химии и термо-полевой динамики конденсированных состояний; освоения программного обеспечения для выполнения прогностических компьютерных экспериментов по инжинирингу квантово-полевых наносистем; основных подходов к разработке механизмов функционирования нового поколения наноустройств, предназначенных для практической реализации нанотехнологий фемтосекундных измерений, контроля и управления наносистемными процессами.

В ходе реализации программы слушателям будут представлены достижения ученых и преподавателей Алтайского государственного университета в научной и образовательной сферах в контексте заявленной проблематики, которые станут предметом их творческого осмысления и обсуждения:

– первый и единственный в стране учебник для студентов, аспирантов и научных работников по проблемам нанотехнологий: , , . Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества /Томск: Изд-во научно-техн. литерат., 2005, - 264 с. (гриф СибРУМЦ);

– первый и единственный в стране мультимедийный программный комплекс «Компьютерные нанотехнологии»;

– патент в области наноэлектроники на получение наноструктурированных интерфейсов для выпрямляющих контактов;

– многолетний опыт организации и проведения международных школ-конференций для молодых ученых «Эволюция дефектных структур в материалах» с изданием ежегодных сборников научных трудов;

– опыт организации и проведения первого в стране внутривузовского конкурса научных работ молодых ученых в области нанонаук, нанотехнологий, наноматериалов;

– аккредитованные магистерские программы по физической химии (2008 г.);

– опыт участия научной школы «Фундаментальные основы нанонаук и прорывные нанотехнологии конденсированного состояния» в издании всероссийского журнала «Фундаментальные проблемы современного материаловедения» (гл. ред. , д-р физ.-мат. наук, проф.), основное содержание которого посвящено проблемам наноинжиниринга; и др.

Программа носит практико-ориентированный характер: более половины учебного времени отводится на практические занятия, которые организуются в форме обмена опытом слушателей по той или иной обсуждаемой проблеме, научных дискуссий, мастер-классов, проблемных семинаров, круглых столов и др.

Обучение слушателей по программе повышения квалификации должно обеспечить:

-  ориентацию в приоритетных направлениях современной нанотехнологии;

-  осознание важности нанотехнологического обеспечения профессиональных сфер естественно-научных направлений;

-  переоценку роли методов нанотехнологии в развитии современной науки.

Итогом участия слушателей в настоящей программе является защита аттестационных работ. Их тематика отличается практикоориентированной направленностью, связана с реалиями вузовской образовательной практики. Темы работ сформулированы таким образом, чтобы участники программы смогли осуществить рефлексивную реконструкцию имеющегося профессионального опыта в контексте новых научных и образовательных проблем, которые стали предметом обсуждения в системе повышения квалификации. Не менее значимым для нее в данном случае является и другой подход, представляющий своеобразную инверсию, когда слушатели на основе творческого подхода к использованию нового опыта проектируют различные фрагменты образовательного процесса на материале преподаваемой учебной дисциплины.

На завершающем этапе работы слушатели примут участие в заседании «круглого стола», где обсудят содержательные, методические, организационные и другие аспекты реализации программы, внесут коррективы и предложения по ее дальнейшему совершенствованию и обозначат перспективы развития.

Программа реализуется на базе научно-методического Института дистанционного и открытого образования при Алтайском госуниверситете, включающим Центр коллективного пользования научным оборудованием «Нано-Био-Инжениринг» и Центр нанонаук, нанотехнологий и наноматериалов, и внедренного в учебный процесс высшей школы первого в Российской Федерации учебно-методического мультимедийного комплекса «Компьютерная нанотехнология» (лауреат 1 премии ИТО 1998/99, г. Москва).

Авторы программы:

, д-р физ.-мат. наук, проф. (руководитель); , д-р физ.-мат. наук, проф.; , д-р физ.-мат. наук, проф.; , д-р физ.-мат. наук, проф.; , канд. хим. наук, доц.

Сроки реализации программы «НАНОИНЖИНИРИНГ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ»: 12 апреля – 24 апреля 2010 г.

ГОУ ВПО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«УТВЕРЖДАЮ» Первый проректор по учебной работе, профессор «______»_____________ 2010 г

Учебный план

НАНОИНЖИНИРИНГ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Цель: повышение квалификации

Категория слушателей: научно-педагогические работники высших учебных заведений

Срок обучения: 12-14 дней

Форма обучения: очная

Режим занятий: 6 часов в день

№ п/п	Наименование разделов, дисциплин, тем	Всего часов	В том числе:	Форма контроля
лекции	семинары, практические
I.	Процессы модернизации в высшем профессиональном образовании современной России	10	6	4	зачет
II.	Физическая химия наноструктурированного вещества	20	10	10	зачет
III.	Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества.	28	10	18	зачет
IV.	Современные проблемы физики и химии наносистем	10	10		зачет
Итоговый контроль	4			защита итоговых аттестационных работ
	Итого	72	36	32	зачет

Директор ЦППКП
ГОУ ВПО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«УТВЕРЖДАЮ» Первый проректор по учебной работе, профессор «______»_____________ 2010 г

Учебно-тематический план

НАНОИНЖИНИРИНГ И КОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Цель: повышение квалификации

Категория слушателей: научно-педагогические работники высших учебных заведений

Срок обучения: 12-14 дней

Форма обучения: очная

Режим занятий: 6 часов в день

№ п/п	Наименование разделов, дисциплин, тем	Всего часов	В том числе:
лекции	семинары, практические, лабораторные	Формы контроля
1	2	3	4	5	6
I.	Процессы модернизации в высшем профессиональном образовании современной России	10	6	4	зачет
1.1.	Приоритеты государственной образовательной политики в современных условиях	2	2
1.2.	Федеральные образовательные стандарты третьего поколения: новые подходы к оценке качества образования	4	2	2
1.3.	Проблемы проектирования основной образовательной программы на основе ФГОС-3	4	2	2
II.	Физическая химия наноструктурированного вещества	20	10	10	зачет
2.1	Введение	2	2

1	2	3	4	5	6
2.2	Экспериментальные и теоретические методы физической химии в изучении, проектировании, производстве, использовании наноструктур, наноустройств и наносистем	4	2	2
2.3	Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц – мультистабильных трансформеров вещества	4	2	2
2.4	Компьютерные нанотехнологии: моделирование и компьютерный расчет наноструктур вещества	4	2	2
2.5	Компьютерный эксперимент в изучении, проектировании наноустройств и наносистем	6	2	4
III.	Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества	28	10	18	зачет
3.1	Введение	1	1
3.2	Концепция многоуровнего строения вещества	6	2	4
3.3	Функциональная самоорганизация мультиструктур наноматериалов	5	1	4
3.4	Моделирование задач для графена, нанотубулярного углерода, фрактальных кластеров переходных металлов, водорода	6	2	4
3.5	Моделирование задач для нанослоевых гетероструктур выпрямляющих контактов на основе интерфейса между переходными металлами и полупроводниками типа AIII-BV, AIII-BVI	6	2	4
3.6	Моделирование задач для наноструктурных фазовых переходов аморфного и клатратного льда	4	2	2
IV.	Современные проблемы физики и химии наносистем	10	10		зачет
4.1	Введение	2	2
4.2	Термополевая динамика и конденсированные состояния наносистем	2	2
4.3	Квантово-полевая химия конденсированных состояний наносистем	2	2
4.4	Развитие основных понятий физической химии конденсированного состояния наносистем	2	2

1	2	3	4	5	6
4.5	Роль информации и энтропии в наносистемах	2	2
Итоговый контроль	4		защита итоговых аттестационных работ
	Итого:	72	36	32

Директор ЦППКП

II. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ АТТЕСТАЦИОННЫХ РАБОТ

Влияние селенитной обработки поверхности полупроводника на электрофизические характеристики барьерных структур металл VIII – арсенид галлия n-типа. Компьютерное моделирование межатомных взаимодействий атомов щелочных и переходных металлов. Компьютерное моделирование супрамолекулярных комплексов водорода. Комбинированная халькогенная обработка поверхности полупроводника при формировании выпрямляющих контактов металл VIII – арсенид галлия n-типа. Компьютерное моделирование и расчет параметров наноструктурных диодных контактов AIIIBV-AIIIBVI/Ir, Ni. Влияние предварительной обработки поверхности полупроводника на формирование выпрямляющих контактов Rh-InP n-типа. Информационные аспекты физико-химических процессов самоорганизации наноматериалов. Компьютерное моделирование захвата протона, молекул водорода и метана в клеточных мультиструктурах воды и аморфного льда. Расчет супрамолекулярных связей в кластерных димерах атомов четвертого периода от Sc до Kr. Компьютерное моделирование и расчет квантоворазмерного диодного гетероперехода GaP-(S, Se)-Ni. Влияние сульфидной и комбинированной сульфидно-селенитной обработки поверхности полупроводника на электрофизические параметры контактов Ni-GaP n-типа. Влияние комбинированной тиосульфатно-селенатной обработки поверхности полупроводника на электрофизические параметры контактов Ni-GaAs n-типа. Компьютерное моделирование формирования наноматериалов в условиях ограниченной диффузии, агрегации и реконструкции. Моделирование физико-химических процессов на электродах водородных топливных элементов. Аккумулирование водорода нанотубулярным углеродом и его изоэлектронными аналогами. Компьютерное моделирование многоцентрового зарождения аморфных наноматериалов. Компьютерное моделирование эволюции квантоворазмерных наноматериалов. Компьютерное моделирование транспорта гидратированных ионов в клатратной воде. Аккумулирование водорода нанотубулярным углеродом. Селенитно-сульфидная пассивация арсенида галлия при формировании выпрямляющих контактов. Компьютерное моделирование плавления сферических наночастиц металлов. Компьютерное моделирование методом Монте-Карло процессов формирования нанокластеров металлов. Квазижидкое состояние воды на границе лед – диоксид кремния. Сверхскоростные нанотехнологии самосборки, самоорганизации и саморепарации конструктивных элементов наноидустрии и живых систем. Интеллектуальные наноматериалы и кибернетические наноустройства (нанороботы), биомиметика. Химические и электрохимические технологии создания электронной компонентной базы с высокой адаптивной резистивностью к внешним механическим, тепловым и электрохимическим воздействиям среды. Принципиально новые нанотехнологии создания аккумуляторов водорода с высокой емкостью и обратимостью по водороду, а также высокой адаптивностью к условиям их синтеза и эксплуатации. Принципиально новые нанотехнологии получения металлоалмазного композита широкого применения, не требующую дорогостоящих установок высокого давления. Принципиально новые нанотехнологии получения поликристаллического наноструктурного алмазного агрегата. Создание принципиально нового материала - поликристаллический нанострутурный металлоалмазный композит.

III. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

, , Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества. Томск: Изд-во Научно-технической литературы, 20с. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 200с. , , Фуллерены: синтез и теория образования. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007, - 230 с. , , Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества. Томск: 2-е Изд., перераб., испр. − Томск: Изд-во Научно-технической литературы, 2006, 248 с.

5.  , Смирнов и структуры углерода //УФН. — 1995. — Т. 165, №9. — С. 977–1010.

6.  Елецкий нанотрубки. //УФН. — 1997. — Т. 167, №9. — С. 945–972

7.  , Лубнина химия: возникновение, развитие, перспективы. //Вестн. МГУ. Сер 2, Химия. –— 1999. — Т.40. — N 5. — С. 300-307.

8.  , Иванова и методы коллоидной химии в нанохимии. //Успехи химии. –— 2000. — Т.69. — N 11. — С. .

9.  Сергеев металлов. //Успехи химии. –— 2001. — Т.70. — N 10. — С. 915-933.

10.  Бучаченко - прямой путь к высоким технологиям нового века. // Успехи химии. –— 2003. — Т.72. — N 5. — С. 419-437.

11.  Криохимия./ Пер. с англ.; под ред. М. Московица., Г. Озина.— М.: Мир, 1979. — 594 с.

12.  , , Лисичкин метод синтеза кластерных металлических катализаторов. // ЖВХО. –— 1987. — Т.32. — N 1. — С. 96-100.

Гусев материалы: методы получения и свойства /Екатеринбур: УрО РАН, 1998. — 199 с. -М. Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы/ Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН, 1998. — 334 с. Б. Лавенда Статистическая физика. – М.:Мир.-1999. – 432 с. , , . Теория электронного строения молекул (Новые аспекты). – Алма-Ата: Наука., 1988. — 216 с. , , . Прикладная квантовая химия. – М.: Химия, 1979. Квантовые измерения и декогеренция. Модели и феноменология. – М.:ФИЗМАТЛИТ.- 2001. – 232 с. Х. Умэдзава, Х. Мацумото, М. Татики Термополевая динамика и конденсированные состояния. / Пер. с англ. — М.: Мир, 1985. — 504с. Н. Н Боголюбов., Н. Н Боголюбов (мл.) Введение в квантовую статистическую механику. – М.: Наука. 1984 Beznosyuk S. A., Stobbe I. A., Zhukovsky M. S. Quantum-sized mechanism of hydrogen polycondensation on carbon nanotubular surfaces //Materials Science & Engineering C. Vol. 27, 2007. pp. . Drexler K. E. Nanosystems: molecular mashinary, manufacturing, and Computation. / New York:John Wiley @ Sons. Inc., 1992. — 556 с. S. A. Beznosyuk, Y. V. Lerh, S. V. Vazhenin, M. S. Zhukovsky, and T. M. Zhukovsky Self-assem­bling growth of fractal catalysts on fuel cell's electrode //Journal of Nanoscience and Nanotechnology1584.