Наноматериалы и нанотехнологии (стр. 3 )

Планирование самостоятельной работы студентов

№	Модули и темы	Виды СРС	Неделя семестра	Объем часов	Кол-во баллов
обязательные	дополнительные
Модуль 1
1.1	Основные понятия нанотехноло­гий, наноэлементов и нано­структур.	Работа с учеб­ной литературой. Проработка лек­ций.	Доклад-презентация	1-2	2	0 - 5
1.2	Классификация наноразмерных материалов.	-"-"-	-"-"-	3-4	2	0-5
1.3	Методы получения наноразмерных материалов.	-"-"-	-"-"-	5-6	2	0 - 10
	Всего по модулю 1:	1-6	6	0-20
Модуль 2
2.1	Методы измерений и контроля мик­ро - и наноструктур ма­те­риа­лов	-"-"-	-"-"-	7-8	2	0-10
2.2	Исследование наноматериалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии.	Работа с учеб­ной литературой. Под­готовка ответов на контрольные вопросы.	Оформление отчета о работе в виде доклада-презентации	1-18	18	0-40
	Всего по модулю 2:	1-18	20	0-50
Модуль 3
3.1.	Пористые и аморфные наноматериалы.	Работа с учеб­ной литературой. Проработка лек­ций.	Доклад-презентация	9-10	2	0-5
3.2.	Фуллерены, фуллериты и нанотрубки.	-"-"-	-"-"-	11-12	2	0-5
3.3.	Нанокомпозиционные материалы.	-"-"-	-"-"-	13-14	2	0-5
3.4.	Специальные конструкционные наноматериалы.	-"-"-	-"-"-	15-16	2	0-5
3.5.	Примеры применения наномате­риалов и нанотехнологий в промышленности, приборостроении, медицине и биотехнологиях.	-"-"-	-"-"-	17-18	2	0-10
	Всего по модулю 3: 9-18	10	0-30
	ИТОГО:	36	0-100

Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обес­пе­чи­ва­е­мы­ми (последующими) дисциплинами

№ п/п

Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин

Темы дисциплины, необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин

1.1.

1.2.

1.3.

2.1.

2.2.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

1.

«Специальные нанотехнологии и нанодиагностика»

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

2.

«Конструкционные наноматериалы»

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

3.

"Пучково-плазменные технологии для конструкционных наноматериалов".

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Содержание дисциплины.

1.1.Основные понятия нанотехноло­гий, наноэлементов и нано­структур. Об­щие сведения о наноразмерных структурах. Термины и определения. Особенности структурного состояния нанокристаллических материалов.

1.2. Классификация наноразмерных материалов. Классификация дисперсных систем. Классификация наноразмерных структур по топологии. Особенности механических, термодинамических, магнитных и электрических свойств наноструктур.

1.3. Методы получения наноразмерных материалов. Методы получения наноструктур: электронолитография, эпитаксиальные методы, самоформирование и синтез в матрицах и шаблонах, зондовые методы и вакуумные методы формирования тонких пленок.

2.1. Методы измерений и контроля мик­ро - и наноструктур ма­те­риа­лов. Общий обзор ме­то­дов измерений в нанотехнологиях. Методы измерения химического состава с помощью рентгеновской эмиссионной спек­троскопии и методы изучения кристаллической структуры с помощью дифракции рент­ге­новских лучей. Электронная мик­ро­ско­пия.

2.2. Исследование наноматериалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Устройство туннельного и атомно-силового сканирующих зондовых микроскопов Основные методы сканирующей зондовой микроскопии. Лабораторный практикум. Список лабораторных работ приведен ниже.

3.1. Пористые и аморфные наноматериалы. Определения свободного объема, пористости; морфологические характеристики пор. Структура аморфных ме­таллических систем, модели аморфных тел и поликластерная модель. Механические, электрические и магнитные свойства аморфных металлических систем. Аморфные полупроводниковые наноматериалы.

3.2. Фуллерены, фуллериты и нанотрубки. Схема образования фуллеренов – четвертой аллотропной формы углерода. Природные фуллерены и получение композитных нанопленок на основе фуллереновой матрицы методом вакуумного термического напыления. Уникальные структурные свойства кремниевых нанотрубок и их применение.

3.3. Нанокомпозиционные материалы. Нанополимерные композиты. Металлосодержащие полимеры. Физико-механические и теплофизические свойства нанокомпозитов, полученных в виде нанокристаллических покрытий. Метод синтеза металлосодержащих полимеров для создания магнитных систем с высокой плотностью записи и хранения информации. Наногетерогенные композиционные материалы и области их применения.

3.4. Специальные конструкционные наноматериалы. Рассматривается создание антикорозионных и термобарьерных приповерхностных нанослоев конструкционных материалов. Дается принцип действия и технология изготовления нанофлюидных чипов и биочипов, предназначенных для аналитических приборов. Дается назначение и технология изготовления светодиодов и сверхтонких углеродных и металлических фольг.

3.5. Примеры применения наномате­риалов и нанотехнологий в промышленности, приборостроении, медицине и биотехнологиях. Применения микро - и на­норазмерных структур, созданных с помощью сфокусированных пучков заря­женных частиц. нанофлюидные чипы и биочипы, предназначенных для анали­тических приборов, светодиоды, сверхтонкие углеродные и металлических фоль­ги. Возможности применения углеродных нанотрубок. Био-нано­тех­но­ло­гии, искусственные материалы, нанофильтрование как новый способ очистки питьевой воды.

Темы лабораторных работ.

1)  Получение СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента

2)  Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии

3)  Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме

4)  Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии

5)  Сканирующая зондовая литография

6)  Обработка и количественный анализ СЗМ изображений

7)  Применение сканирующего зондового микроскопа для исследования биологических объектов

8)  Изучение микрофлоры воды с помощью сканирующей зондовой микроскопии

Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Примерные вопросы на зачет

1)  Общие сведения о нанотехнологиях: Что понимается под терминами "Нано­ма­­те­ри­а­лы", "Нанотехнологии", "Наносистемная техника". Привести примеры.

2)  Сканирующий туннельный микроскоп: устройство, принцип действия, режимы рабо­ты.

3)  Сканирующий атомно-силовой микроскоп: устройство, принцип действия, способы про­ведения атомно-силовой микроскопии.

4)  Зондовая литография.

5)  С чем связана повышенная прочность нанокристаллических материалов.

6)  Какова особенность структуры межзерных границ нанокристаллического материала.

7)  Какова доля нанокристаллического вещества, приходящегося на межзеренные границы.

8)  Приведите формулы, описывающие зависимости общей доли поверхностей раздела, долей межзеренных границ, а также тройных стыков от размеров кристаллов.

9)  Каковы термодинамические особенности наноструктур.

10)  Как можно рассчитать электросопротивление наноматериалов.

11)  Определите особенности наноферромагнетиков.

12)  Чем заменяется ферромагнетизм при переходе к нанометровым размерам.

13)  Определите понятие суперпарамагнетизм.

14)  Перечислите типы нанопористых материалов.

15)  Чем характеризуется пористость.

16)  Что такое цеолиты и где они применяются.

17)  Дайте определение аморфного состояния твердого тела.

18)  Что такое близкий и дальний порядок в твердом теле.

19)  Назовите основное отличие понятий «аморфное состояние» и «стеклообразное состояние».

20)  Назовите основные способы получения аморфных сплавов.

21)  В чем заключается основное отличие зонной структуры аморфного полупроводника от его кристаллического аналога.

22)  Что такое фуллерен.

23)  Что такое фулериты.

24)  Что такое нанокомпазиционный наноматериал.

25)  В чем заключается отличие металлического нанокомпозита от полимерного.

26)  Какие существуют типы нанокомпозитов.

27)  Как изменяются магнитные свойства полимерных композитов.

28)  Приведите примеры формирования металлополимерных нанокомпозитов.

29)  В каких условиях формируются нанокристаллические пленки.

30)  Определите роль энергии осаждаемых ионов в ионно-плазменных методах.

31)  Назовите механизмы управления формированием нанокристаллических покрытий.

32)  Что такое нанокомпозитные покрытия.

33)  Какие существуют группы нанокомпозитных покрытий и как они классифицируются.

34)  С чем связано повышение твердости в нанокомпозитных покрытиях.

35)  Как влияет структура покрытий на термические свойства.

36)  Что собой представляет антикоррозионный приповерхностный нанослой конструкционного материала.

37)  Что собой представляет термобарьерный приповерхностный нанослой конструкционного материала.

38)  В чем состоит технология изготовления нанофлюидного чипа и где он применяется.

39)  Что такое биочип и где он применяется.

40)  Как получают сверхтонкие металлические и углеродные фольги и где они применяются.

41)  Назовите основные направления применения нанокрсталлических материалов в промышленности.

42)  Приведите примеры применения наноструктур в приборостроении.

43)  Назовите особенности применения наноразмерных структур, созданных с помощью пучков заряженных частиц.

44)  Назовите возможности применения углеродных нанотрубок.

45)  Приведите примеры применения наноструктур в биотехнологии.

Образовательные технологии.

В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Наноматериалы и нанотехнологии» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:

·  лекции;

·  практические занятия;

·  работа в малых группах.

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.

Основная литература:

1.  Введение в нанотехнологию. - М.: БИНОМ, 2007.-134с.

2.  , , Дзидзигури : учебное пособие. - М.: БИНОМ, 20с.

3.  Удовиченко -плазменные технологии для модификации конструкци­онных материалов и создания наноматериалов. Учебное пособие. – С. Пб.: ГУАП, 2009, 100 с.

Дополнительная литература:

4.  , , и др. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. Учебное пособие.–Харьков: ХНУ им. , 2009, 209 с.

5.  Гусев , наноструктуры, нанотехнологии. – М.:Физматлит, 2005, 416 с.

6.  , Рагуля материалы. – М.: Академия, 2005, 164 с.

7.  , Ремпель материалы. – М.: Физматлит, 2000, 224 с.

8.  Поздняков материаловедение наноструктурных материалов. – М.: МГИУ, 2007, 424 с.

9.  ,Мулюкова и нанокристаллические металлы и сплавы. – Екатеринбург, Уральское отделение РАН, 2003, 279 с.

10.  Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы 21 века. – М.: Техносфера, 2003, 336 с.

11.  Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004, 328 с.

12.  Суздалев : физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.:КомКнига, 2006, 592 с.

13.  , Александров материалы, полученные интенсивной пластической деформацией – М.: Логос, 2000, 272 с.

14.  ПомогайлоА. Д., , Уфлянд металлов в полимерах. – М.: Химия, 2000, 67 с.

15.  Шоршов структурное состояние металлических сплавов. – М.: Наука, 2001, 155 с.

Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).

Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием.

Лаборатория зондовой микроскопии с комплектом учебных микроскопов Nanoeducator.