Наноструктурированные материалы

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»:

Проректор по учебной работе

_______________________ //

__________ _____________ 2011 г.

Наноструктурированные материалы

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа

для студентов направления 020100.68 «Химия». Магистерская

программа «Химия фторидных, сульфидных соединений металлов в макро-, мезо - и наносостояниях», уровень подготовки - магистр

(очная форма обучения)

«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:

Автор работы ________________________

к. х.н.,ст. преподаватель

«______»___________2011г.

Рассмотрено на заседании кафедры неорганической и физической химии __.__ 20__ г. Протокол № __. Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.

«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:

Объем _14_стр.

Зав. кафедрой ________________________

д. х.н., профессор

«______»___________ 20__г.

Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ __.__ 20__ г. Протокол № __.

Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.

«СОГЛАСОВАНО»:

Председатель УМК ________________________//

«______»_____________20__г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Зав. методическим отделом УМУ_____________//

«______»_____________20__г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, естественных наук и информационных

технологий

Кафедра неорганической и физической химии

наноструктурированные материалы

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа

для студентов направления 020100.68 «Химия».

Магистерская программа «Химия фторидных, сульфидных соединений металлов в макро-, мезо - и наносостояниях»,

уровень подготовки – магистр

(очная форма обучения)

Тюменский государственный университет

2011

Разумкова материалы. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020100.68 «Химия». Магистерская программа «Химия фторидных, сульфидных соединений металлов в макро-, мезо - и наносостояниях», уровень подготовки – магистр, очная форма обучения.

Тюмень, 2011, 14 с.

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Наноструктурированные материалы [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. *****., свободный.

Рекомендовано к изданию кафедрой неорганической и физической химии. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: зав. кафедрой неорганической и физической химии д. х.н., проф.

© ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2011.

© , 2011.

1.  Пояснительная записка

Дисциплина " Наноструктурированные материалы " в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 020100.68 «Химия: Химия фторидных, сульфидных соединений металлов в макро-, мезо - и наносостояниях» является дисциплиной по выбору профессионального цикла ООП подготовки магистров.

Курс «Наноструктурированные материалы» рассчитан на освоение студентами навыков получения и анализа основных свойств наноструктурированных материалов. Кроме того, познакомит студентов с современными тенденциями развития нанохимии как дисциплины, использующей аппарат неорганической, физической химии, фундаментального материаловедения и ориентированной на разработку новых функциональных материалов с улучшенными свойствами.

Программа содержит пояснительную записку, тематический план занятий, перечень лабораторных работ, вопросы для самоконтроля и подготовки к зачету, список рекомендуемой литературы. Общая трудоемкость по учебному плану — 72 часа.

1.1.  Цели и задачи дисциплины

Цель курса состоит в формировании у студентов комплексных знаний о наноструктурированных материалах, способам получения, методам исследования и стабилизации нанообъектов, физико-химических свойствах, потенцииальных и реальных областях применения.

В задачи курса входит:

·  познакомить студентов наноструктурированными материалами, способами получения, физико-химическими свойствами и особенностями применения;

·  привить основы знаний о программируемом направлении химических реакций, физикохимии поверхностных явлений, коллоидном состоянии вещества, об особенностях наноструктуированных материалах биологического происхождения.

·  развить у студентов логику нанотехнического мышления;

·  дать навыки получения объектов в наноструктурированном состоянии и сопоставить физико-химических свойств материалов в нано - и мезо - состояниях.

1.2.  Место дисциплины в структуре ООП магистратуры

Дисциплина «Наноструктурированные материалы» входит в дисциплины по выбору профессионального цикла подготовки магистров. Курс является продолжением и логическим завершением нормативного курса учебного плана бакалавров «Химия», предполагает углубленное изучение физических, химических и биологических свойств нанообъектов и наноструктурированных систем. Изучение дисциплины базируется на следующих курсах: «Кристаллохимия», «Химия твердого тела», «Физическая химия», «Физико-химия дисперсных систем».

1.3. Компетенции выпускника ООП магистратуры, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО.

В результате освоения ООП магистратуры выпускник должен обладать следующими компетенциями:

а) общекультурных (ОК):

·  пониманием принципов работы и умением работать на современной научной аппаратуре при проведении научных исследований (ОК-6).

б) профессиональных (ПК):

·  наличием представления о наиболее актуальных направлениях исследований в современной теоретической и экспериментальной химии (синтез и применение веществ в наноструктурных технологиях, исследования в экстремальных условиях, химия жизненных процессов, химия и экология и другие) (ПК-1);

·  владением теорией и навыками практической работы в избранной области химии (в соответствии с темой магистерской диссертации) (ПК-3);

·  умением анализировать научную литературу с целью выбора направления исследования по предлагаемой научным руководителем теме и самостоятельно составлять план исследования (ПК-4);

·  способностью анализировать полученные результаты, делать необходимые выводы и формулировать предложения (ПК-5);

·  наличием опыта профессионального участия в научных дискуссиях (ПК-6);

·  умением представлять полученные в исследованиях результаты в виде отчетов и научных публикаций (стендовые доклады, рефераты и статьи в периодической научной печати) (ПК-7);

·  способностью определять и анализировать проблемы, планировать стратегию их решения (ПК-10).

В результате изучения дисциплины «Наноструктурированные материалы» студенты должны:

знать: физико-химическую терминологию в области нанохимии, физико-химические модели объектов и процессов, математическое моделирование разрабатываемых структур, основные понятия, законы и модели физики и химии, типовые химико-технологические процессы получения наноматериалов;

владеть: современным оборудованием для изучения процессов формирования и свойств наносистем, информационными ресурсами в научно-исследовательской и расчетно-практической деятельности;

уметь: устанавливать с использованием различных методов и подходов возможные причины проявления свойств наноструктурованных материалов, давать рекомендации по целенаправленному их формированию; использовать полученные знания для прогнозирования и анализа влияния изменений химического и фазового состава, температуры и давления, а также условий проведения термомеханической обработки на физические свойства наноматериалов.

2.  Структура и трудоемкость дисциплины.

Дисциплина «Наноструктурированные материалы» читается на втором курсе магистратуры в первом семестре. Форма промежуточной аттестации - зачет. Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единиц (з. е.), 72 часа.

Таблица 1

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
1
Аудиторные занятия (всего)	48	48
В том числе:
Лекции	24	24
Практические занятия (ПЗ)	24	24
Семинары (С)	0	0
Лабораторные работы (ЛР)	0	0
Из них в интерактивной форме	12	12
Самостоятельная работа (всего)	24	24
Вид промежуточной аттестации	Зач	Зач
Общая трудоёмкость час Зач. ед.	72	72
2	2

3.  Тематический план

Таблица 2

№	Тема	Недели семестра	Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час	Итого часов по теме	Из них в интерактивной форме	Форма контроля
Лекции	Практические занятия	Самостоятельная работа
1	2	3	5	6	7	8	9	10
1	Нанотехнология: история и особенности становления	1	2		2	4		Проверка конспектов, тест
2	Виды наноструктурированных материалов, их систематизация	2	2	2	2	6		Проверка конспектов, ответы на вопросы
3	Пути в нанотехнологию	3-5	6	6	4	16	4	Проверка конспектов, ответы на вопросы
4	Кристаллическая структура наноструктурированных материалов	6	2	2	2	6	2	Проверка конспектов, контрольная работа
5	Неорганические наноструктурированные материалы: методы получения наночастиц	7	2	6	4	12	2	Проверка конспектов, ответы на вопросы
6	Наноструктурированная керамика	8	2	2	2	6		Проверка конспектов, ответы на вопросы
7	Углеродные наноматериалы	9	2	2	2	6	2	Проверка конспектов, ответы на вопросы
8	Виды устройств с использованием наноструктурированных материалов	10	2	2	2	6		Проверка конспектов, ответы на вопросы
9	Устройства с наноматериалами в малой энергетике	11	2	2	2	6		Проверка конспектов, коллоквиум
10	Будущее нанотехнологий	12	2		2	4	2	Проверка конспектов, ответы на вопросы
	Итого за семестр (часов)		24	24	24	72	12	зачет
	Из них в интерактивной форме		6	6

Планирование самостоятельной работы студентов

Таблица 3

№	Модули и темы	Виды СРС	Неделя семестра	Объем часов
обязательные	дополнительные
1	Нанотехнология: история и особенности становления	Работа с литературой, конспектиро-вание.	Работа с учебной литературой.	1	2
2	Виды наноструктурированных материалов, их систематизация	Ответы на вопросы для самопроверки, работа с литературой.	Работа с учебной литературой.	2	2
3	Пути в нанотехнологию	-"-"-	-"-"-	3-5	6
4	Кристаллическая структура наноструктурированных материалов	-"-"-	-"-"-	6	2
5	Неорганические наноструктурированные материалы: методы получения наночастиц	-"-"-	-"-"-	7	2
6	Наноструктурированная керамика	-"-"-	-"-"-	8	2
7	Углеродные наноматериалы	-"-"-	-"-"-	9	2
8	Виды устройств с использованием наноструктурированных материалов	-"-"-	-"-"-	10	2
9	Устройства с наноматериалами в малой энергетике	-"-"-	-"-"-	11	2
10	Будущее нанотехнологий	-"-"-	-"-"-	12	2
Итого	24

4.  Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами.

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	Темы дисциплины, необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1.	Современные материалы на основе макро - и нанотехнологий	+	+	+	+	+	+
2.	Химия конструкционных и функциональных материалов			+	+			+	+	+	+

5.  Содержание дисциплины

Тема. 1. Нанотехнология: история и особенности становления. Открытие наноструктурированных материалов. Миниатюризация в окружающем нас макро-мире. Первые попытки создания теоретических основ нового междисциплинарного подхода – нанотехнологии.

Тема. 2. Виды наноструктурированных материалов, их систематизация.

Виды наноструктурированных материалов, систематизация наноструктурированных материалов на основе периодической системы. Наноструктурированные материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия, полупроводниковых веществ сложного химического состава. Способы получения наноструктурированных материалов и их систематизацию по способам получения.

Тема. 3. Пути в нанотехнологию.

Техника создания наноструктурированных материалов и контроля их геометрических параметров. Техника, используемая при создании наноструктурированных материалов. Системы электронной литографии. Системы типа SEM FIB Tools. Конфокальные микроскопы типа СSM 700. Программы построения рельефа поверхности. Система усиления заряда типа ULTRA 55. Растровая электронная микроскопия с системой регистрации дифракции.

Тема. 4. Кристаллическая структура наноструктурированных материалов.

Кристаллическая структура поликристаллического материала, монокри-сталла, наноструктурированного материала. Способы прямой регистрации кристаллической структуры нанообъектов.

Тема. 5. Неорганические наноструктурированные материалы: методы получения наночастиц.

Основные методы синтеза ультрадисперсных материалов: пиролиз, механо-, электро-, криодиспергирование; методы химической гомогенезации, золь-гель; получение наночастиц в конденсированных средах; литография. «Полимеризация» в водном растворе. «Наночастицы в капсулах».

Тема. 6. Наноструктурированная керамика.

Наноструктурированная керамика нового поколения: особенности получения, свойства и перспективы применения. Последние открытия в области нанокерамики.

Тема. 7. Углеродные наноматериалы.

Структура нанотрубок: одностенные и многостенные нанотрубки. Свойства нанотрубок: структурные, электронные, оптические. Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку. Сверхпроводимость в нанотрубках. Экситоны и биэкситоны в нанотрубках. Возможные применения нанотрубок. Получение углеродных нанотрубок. Токсичность нанотрубок.

Тема. 8. Виды устройств с использованием наноструктурированных материалов.

Основные виды наноструктурированных устройств. Электронные микросхемы – чипы, способы их получения, основная структура, геометрические размеры электронных устройств, методы создания рельефа поверхности, методы контроля геометрии микро и наноустройств электронных устройств.

Тема. 9. Устройства с наноматериалами в малой энергетике.

Устройства с наноматериалами в малой энергетике. Использование наноструктурированных материалов в малой энергетики: солнечные элементы, термоэлектрические преобразователи.

Тема. 10. Будущее нанотехнологий.

Новая промышленная революция? Новые возможности и новые опасности нанотехнологий. США - роль нанотехнологий в совершенствовании военной и гражданской продукции. Нанотехнологические исследования в европейских странах, Японии, Китае. Нанотехнология в России. Развитие в России работ в области нанотехнологий.

6.  План практических занятий

Занятие 1. Особенности синтеза и оптические свойства водных растворов наночастиц золота.

1.  Особенности синтеза наночастиц золота.

2.  Абсорбционная спектроскопия.

3.  Оптические свойства растворов наночастиц золота.

Занятие 2. Особенности синтеза наночастиц серебра.

1.  Особенности строения наночастиц серебра.

2.  Оптические свойства наночастиц серебра.

3.  Получение наночастиц серебра путем восстановления тетрагидридоборатом натрия.

Занятие 3. Получение двумерных наноструктур методом анодного травления.

1.  Аппаратура и методика синтеза.

2.  Физико-химические основы получения оксида алюминия методом анодного травления.

3.  Электрохимическая установка и методика изготовления образцов.

Занятие 4. Основы методов зондовой микроскопии наноструктур.

1.  Общие принципы работы сканирующих зондовых микроскопов.

2.  Основы атомно-силовой микроскопии.

Занятие 5. Исследование оптических свойств наноструктур и фотонных кристаллов.

1.  Аппаратура и методы измерения.

Занятие 6. Оптическое манипулирование одиночными наночастицами.

1.  Физические принципы оптического манипулирования одиночными микро - и наночастицами.

2.  Модели исследования микрочастиц.

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

Примерные тестовые задания

1. Префикс «нано» означает:

1) 10 -3;

2) 10 -6;

3) 10 -9;

4)

2. Оцените число атомов в наночастице золота диаметром 3 нм. Радиус атома Au составляет 0,144 нм. Выберите один из вариантов ответа:

1) 10 2;

2) 10 3;

3) 10 4;

4) 10 5.

3. Нанонаука определяется как:

1) изучение четвертого состояния материи (вещества);

2) производство и изучение материалов и структур с размерами между 1 и 100 нм;

3) конструирование миниатюрных роботов;

4) изучение свойств малых молекул.

Примерный перечень вопросов к зачету

1.  Основные принципы и задачи нанотехнологии, различные подходы к определению ее границ.

2.  Планарная полупроводниковая технология и пути микроминиатю-ризации схем. Электронная литография – ограничения и области применения

3.  Закон Мура. Физические ограничения планарной полупроводлниковой технологии микроэлектроники. Пути их преодоления.

4.  Методы контроля наноструктур.

5.  Молекулярная элементная база. Запоминающие устройства на основе эффекта выжигания провалов в спектрах поглощения и на основе белка бактериородопсина.

6.  Молекулярная элементная база. Основные принципы конструирования молекулы хироптицена.

7.  Молекулярная элементная база. Запоминающие устройства на основе молекул ротаксанов.

8.  Техника и ограничения молекулярного дизайна.

9.  Нанотрубки и их свойства. Использование нанотрубок в качестве элементной базы микроэлектроники.

10.  Наноструктурированные материалы и методы их формирования. Основные направления их применения.

11.  Полимерные материалы: каучуки, волокна, тефлон, кевлар, пористые материалы для хранения водорода.

12.  «Одежда для жизни»: мембранные материалы, флиссы, биполярные конструкции (GoreTex, Polartex, Outlast).

13.  Блок-сополимеризация. Возможности использования для создания новых материалов.

14.  Нанохимия. Направленный синтез сложных молекулярных структур.

15.  Нанохимия. Моно и мультислои Лэнгмюра-Блоджет, синтез Меррифилда.

16.  Фракталы и их роль в природе. Фрактальная размерность. Дендримеры.

17.  Самоорганизация и нанотехнология. Технологические принципы «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Механизмы самоорганизации.

18.  Национальная нанотехнологическая инициатива США: основные подходы и их реализация.

Развитие нанотехнологии в промышленно-развитых странах.

Примерный перечень вопросов к коллоквиуму

1. Задачи, решаемые с помощью химической нанотехнологии.

2. Общие сведения о наноматериалах электронной техники и смежных отраслей.

3. Виды полупроводниковых материалов, основные требования к ним.

4. Методы и оборудование для получения тонких пленок

5. Новые материалы и технологии. Перспективы использования наноматериалов и нанотехнологий

6. Методы синтеза нанопорошков.

7. Синтез наночастиц из водных растворов.

8. Методы получения наноструктурированных материалов.

9. Будущее нанотехнологий.

10. Исследование оптических свойств наноструктурированных материалов.

8.  Образовательные технологии.

В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Наноструктурированные материалы» используются следующие активные и интерактивные формы проведения занятий:

·  лекции с использованием презентаций;

·  практические занятия с наглядным примером;

·  дополнительные консультации.

9.  Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

9.1. Основная литература

1. Микро - и Наноструктурированные Материалы. Под ред. / М., МГУ, 2008 г., 185 стр.

2. Получение и исследования наноструктур: Лабораторный практикум по нанотехнологиям. Под ред. / ГОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» М., 20стр.

3. Рамбиди и химические основы нанотехнологий. М.: Физматлит, 2008. – 454 с.

4. , , . Фазообразование в системах сульфидов ns - (Sr, Ba), 3d- (Sc, Cu) и 4f- (La – Lu) – элементов в мезо и нано - состояниях. Монография. Издательство Тюменского государственного университета. 20с.

9.2. Дополнительная литература

1.  , , Андреев диаграмма системы MgS – Tb2S3 Вестник университета.2001. № 3. С. 198 – 201.

2.  , В., , Расчёт и исследование стеклообразования в системах MeS – Ga2S3 (Me = Mg, Ca, Sr, Ba) // Вестник университета. 2001. № 3. С. 192 – 197.

3.  , , Андреев равновесия в сис-теме CaS – Ga2S3 // Журн. неорган. химии. 2002. Т. 47, № 1, С. 132 – 134.

4.  , , Бурханова -модинамика фазовых превращений в системах MgS - Ln2S3 (Ln=La, Gd, Dy). // Журн. неорган. химии. 2002. Т. 47, № 1, С. 129 – 131.

5.  , , Коротков равновесия в системах AS – Cu2S – Gd2S3 (A=Ca, Sr, Ba).// Вестник университе-та. 2003, № 2. С 241-246.

6.  , , Термоустойчивость фаз ALn2S4 на возду-хе и в парах воды.// Вестник университета. 2003, № 2. С 187-194.

7.  , ,. Кристаллическая структура соединений SrLnCuS3 // Журн. неорган. химии. 2007. Т. 52, № 4, С. 641 – 644.

8.  , ,. Фазовые равновесия в системах SrS - Cu2S – Ln2S3 (Ln = La, Nd) // Журн. неорган. химии. 2007. Т. 52, № 4, С. 665 – 669.

9.  , , . Фазовые диаграммы систем Sc2S3 – Ln2S3 (Ln = La, Nd, Gd) // Журн. неорган. химии. 2007. Т. 52, № 7, С. 1239 – 1242.

10.  , , . Фазовые равновесия в системах Sc2S3 – Ln2S3 (Ln = Dy, Er, Tm) // Журн. неорган. химии. 2008. Т. 53, № 2, С. 366 – 369.

11.  ёва, . Кристаллохимическое изучение фаз в системе CaS – Lu2S3 (0 – 50 мол. % Lu2S3) // Журн. неорган. химии. 2008. Т. 53, № 2, С. 351 – 355.

12.  , , . Зако-номерности фазовых равновесий в системах SrS – Ln2S3 (Ln = Yb – Lu, Y, Sc) // Журн. неорган. химии. 2008. Т. 53, № 3, С. 488 – 493.

13.  , , . Фазовая диаграмма системы Sm2S3 – Sm2O3 // Журн. неорган. химии. 2008. Т. 53, № 8, С. 1414 – 1418.

9.3. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:

Нанотехнологическое сообщество:

Нанометр

http://www. *****/

Сайт о нанотехнологиях в России

http://www. *****/

Учебно-методический программный комплекс «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях»

http://www. *****/

10.  Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудиторный фонд с мультимедийным оборудованием, и компьютерным обеспечением с соответствующими программными, Информационно-библиотечный центр ТюмГУ, содержащей издания по дисциплине Основы геохимии, минералогии и петрографии, электронная почта, групповые и индивидуальные консультации по вопросам выполнения самостоятельной работы в режиме on-line, аудио - и видеоматериалы по изучаемой дисциплине.