fizikohimiya_nanochastic_i_nanomaterialov

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно - метод. работе
профессор ___________ Елина Е.Г.
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
Физикохимия наночастиц и наноматериалов
Направление подготовки
020100 Химия
Профиль подготовки
Физическая химия
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Саратов,
2011 г.
2
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины
«Физикохимия наночастиц и
наноматериалов» является ознакомление с теорией и технологией получения
наночастиц,
наноматериалов,
нанокомпозитов,
нанокатализаторов,
наносорбентов и т.п.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Элективный курс: «Физикохимия наночастиц и наноматериалов»
входит составной частью в цикл фундаментальных дисциплин при
подготовке специалистов-химиков с высшим образованием. Курс читается в
7-ом семестре кафедрой физической химии. Всего на изучение курса
отводится 108 часов, из них лекционных – 36, лабораторных работ—36часов,
самостоятельная работа студентов – 36 часов. Курс имеет одну отчетность –
зачет в 7 - ом семестре. Этот курс включен в естественно - научный блок.
Целью междисциплинарного элективного курса «Физикохимия
наночастиц и наноматериалов» является передача студентам совершенно
новых знаний из области наноматериалов и нанотехнологий, которые
получили интенсивное развитие в последние 10-15 лет. Этим объясняется
повышенный интерес и живое восприятие слушателей других высших
учебных заведений. Настоящий лекционный курс Институте химии
Саратовского Государственного Университета вводится впервые в связи с
перспективной учебных планов. Следует отметить, что и автор курса:
«Физикохимия наночастиц и наноматериалов» получил огромное
удовлетворение при его подготовке, поскольку приобретение новых знаний
ведущим специалистом в этой области является весьма полезным занятием.
Лекционный курс построен на современных знаниях из различных
областей: физики твердого тела, физики и химии наночастиц, теории
физических методов исследования, технологии наноматериалов, устройств,
приборов, механизмов. Особую привлекательность имеют разделы курса по
способам получения и стабилизации наночастиц, химическим основам их
производства, особенностям строения и эксплуатационных свойств
наночастиц и наноматериалов на их основе, принципам создания
наноструктурных композитов.
Важную роль имеют вопросы практического применения наночастиц в
производстве объемных наноматериалов, спектроскопических установок,
квантовых
ям,
проволок
и
точек,
катализаторов,
полимеров,
ферромагнитиков, биологических материалов.
Курс рассчитан на уровень студентов старших курсов университетов,
но будет бесспорно полезен аспирантам, научным сотрудникам НИИ,
инженерно-техническим работникам предприятий.
3
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины (модуля)
В результате освоения дисциплины «Физикохимия наночастиц и
наноматериалов» формируются следующие компетенции:
понимание сущности и социальной значимости профессии,
основные перспективы и проблемы, определяющие работу на
производстве по созданию наночастиц, наноматериалов,
нанокомпозитов с предельно высокими эксплуатационными
характеристиками и многофункциональности (ПК-1);
представления
о физико-химической методологии (идеи,,
принципах, критериях, методах, методиках, элементах
технологии и др.) получения наночастиц, наноматериалов,
нанокомпозитов, наносорбентов, нанокатализаторов (ПК-2);
владение навыками химического эксперимента по получению
конкретных наночастиц и наноматериалов физическими и
химическими способами (ПК-4);
представление
основных
аспектов
химического
промышленного
производства
с
учетом
сырьевых,
материальных и энергетических затрат на изделия из
наночастиц и наноматериалов, различными физическими и
химическими способами (ПК-5);
владение навыками работы на серийной аппаратуре,
применяемой
в
физико-химических
исследованиях:
термография, рентгенофазовый флуоресцентный анализ, массспектроскопический анализ, металлография, метод БЭТ (азот)
определения
удельной
поверхности,
диэлектрические
испытания дифференциально-интегральный сканирующий
калориметр (ПК-7);
владение методами выбора материала для теоретических
занятий (расчеты, интернетная информация, компьютерная
графика, математическое моделирование и т.д.) и лабораторных
работ (см.план-график лабораторных работ)(ПК-11).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
физические и химические основы создания наночастц и
наноматериалов;
физические и химические основы стабилизации наночастиц и
наноматериалов, в том числе нанокомпозитов, наносорбентов,
нанокатализаторов.
•Уметь:
самостоятельно поставить химический эксперимент по
получению наночастиц и нанокомпозитов по заданию
преподавателя;
4
•Владеть:
-
-
исследовать структуру и основные эксплуатационные свойств
синтезированных объектов (надежность, долговечность,
морозостойкость);
основными методами определения физико- механических (σсж,
σ раст , НВ), физико-химических (W, ω, ς ), тепловых (ср, αе, λт),
акустических (υзв), диэлектрических (gv, E, tаб) и др.
показателей;
навыками по развитию творческой инициативы по созданию
новых наночастиц и наноматериалов.
принципами синтеза наночастиц и наноматериалов на их
основе.
4. Структура и содержание
наночастиц и наноматериалов»
дисциплины
«Физикохимия
4.1. Структура дисциплины
№
п/п
1
1
1.1
Наименование
Семестр Неделя
Бюджет учебного времени
Форма
раздела, подраздела,
семестра Всего
текущего и
в том числе
темы лекции
лекции лаборатор семинарс самостоя итогового
ные и
кие
тельная контроля
практичес занятия работа
кие
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Очная полная программа
7
1
Раздел 1. Введение
Основные понятия и
определения.
Историческая справка
2
Раздел 2. Введение
в физику твердого
тела.
2.1
Кристаллическое
строение твердых тел
Физика диэлектриков, полупроводников и проводников
2.2
3
Раздел 3. Свойства
индивидуальных
наночастиц
3.1
3.2
Кластеры
Способы получения и
стабилизация
наночастиц
Размерные эффекты в
нанохимии
3.3
2
7
7
2,3
4,5,6,7,
8
1
6
-
1
2
1
1
1
1
41
2
4
2
20
3
6
1
2
1
Итоги ролевой
игры 5.1.1.
5
4
4.1
4.2
Раздел
Углеродные
наноструктуры
4.
Раздел
5.
Объемные наноСтруктурированные материалы
5.1
Синтетические
наноструктурированн
ые материалы
Природные
нанокристаллы
6
Раздел 6. Методы
исследования
наночастиц
6.1
6.2
Оптические методы
Спектральные методы
7
7.1
8
8.1
Раздел
7.
Ферромагнетизм
наноструктурах
Основы
ферромагнетизма.
Раздел
Оптическая
колебательная
спектроскопия
7
7
7
10
11
12
8.
и
7
13
9.1
Создание и свойства
квантовых
ям,
проволок и точек
Раздел 10. Само
сборка и катализ
10.1 Самосборка
каталитические
свойства наночастиц
7
7
14
15
2
-
2
2
-
2
Тест № 2
8
2
-
2
2
-
2
Тест № 3
8
4
1
1
2
2
1
1
1
-
1
1
-
1
2
-
2
2
-
2
4
Оптические свойства
нанокристаллов
Раздел
9.
Квантовые ямы,
проволоки и точки
Тест №1
8
в
9
10
9
Характеристика
углеродных
наноматериалов
Способы получения
углеродных
наноструктур
5
5.2
7
4
Тест № 4
4
и
1
2
1
6
11
Раздел 11. Органические соединения
и полимеры
7
16
Итоги
решения
актуальной
задачи 5.3.1.
10
11.1 Органические
и
полимерные нано- и
супрамолекулярные
структуры.
12
Раздел 12. Наномашины
и
наноприборы
12.1 Применение
наноматериалов
промышленности
4
7
17,18
2
9
в
108
Итого:
4
5
-
4
36
36
36
Итоги
деловой игры
5.2.1
Итоги решения
конкретных
производствен
ных проблем.
5.4.1.-5.4.3.
Рефераты по
темам. Зачет.
108
Содержание учебной дисциплины «Физикохимия наночастиц и
наноматериалов»
Раздел 1. Введение
Тема 1.1 Основные понятия и определения. Историческая справка.
Раздел 2. Введение в физику твердого тела.
Тема 2.1 Кристаллическое строение твердых тел
Атомарная
структура.
Размерные
эффекты
в
физике.
Кристаллические решетки. Наночастицы с гранецентрированной
решеткой. Тетраэдрические полупроводниковые структуры. Колебания
решетки.
Тема 2.2 Физика диэлектриков, полупроводников и проводников
Структуры энергетических зон. Диэлектрики, полупроводники и
проводники. Обратное пространство и решетка. Энергетические зоны и
щели в полупроводниках. Эффективные массы. Поверхности Ферми.
Локализованные частицы и квазичастицы. Доноры, акцепторы и
глубоколежащие уровни. Подвижность. Экситоны.
Раздел 3. Свойства индивидуальных наночастиц
Тема 3.1 Кластеры
Металлические нанокластеры. Магические числа. Теоретическое
моделирование наночастиц. Геометрическая структура. Электронная
структура. Реакционная способность. Флуктуации. Магнитные кластеры.
7
От макро- к нано-. Полупроводниковые наночастицы. Оптические
свойства. Фотофрагментация. Кулоновский взрыв. Кластеры атомов
редких газов и молекулярные кластеры. Кластеры атомов инертных газов.
Сверхтекучие кластеры. Молекулярные кластеры. Криохимия атомов и
наночастиц металлов. Химические нанореакторы. Ассемблеры.
Тема 3.2 Способы получения и стабилизация наночастиц
Методы
синтеза.
Высокочастотный
индукционный
Химические методы. Термолиз. Импульсные лазерные методы.
нагрев.
Тема 3.3 Размерные эффекты в нанохимии
Модели реакций атомов металлов в матрицах. Температура плавления.
Оптические спектры. Кинетические особенности химических процессов на
поверхности наночастиц. О некоторых термодинамических особенностях
наночастиц.
Раздел 4. Углеродные наноструктуры
Тема 4.1 Характеристика углеродных наноматериалов
Углеродные молекулы. Природа углеродной связи. Новые углеродные
структуры. Углеродные кластеры. Малые углеродные кластеры. Открытие
фуллерена С60.
Структура фуллерена С 60 и его кристаллов. С60,
легированный щелочными металлами. Сверхпроводимость в С60.
Фуллерены с числом атомов, большим или меньшим 60. Неуглеродные
шарообразные молекулы. Углеродные нанотрубки.
Тема 4.2 Способы получения углеродных наноструктур
Методы
получения.
Колебательные
свойства.
углеродных
нанотрубок.
Компьютеры.
Топливные
Катализаторы. Механическое
Структура.
Электрические
свойства.
Механические
свойства. Применение
Полевая
эмиссия
и
экранирование.
элементы.
Химические
сенсоры.
упрочнение.
Раздел 5. Объемные наноструктурированные материалы
Тема 5.1 Синтетические наноструктурированные материалы
Разупорядоченные твердотельные структуры. Методы синтеза.
Механизмы
разрушения
традиционных
поликристаллических
материалов.
Механические
свойства.
Наноструктурированные
многослойные материалы. Электрические свойства. Другие свойства.
Металлические нанокластеры в оптических стеклах. Пористый кремний.
Наноструктурированные кристаллы.
8
Тема 5.2 Природные нанокристаллы.
Природные
нанокристаллы.
Теоретическое
предсказание
кристаллических решеток из нанокластеров. Упорядоченные структуры
наночастиц в цеолитах. Кристаллы из металлических наночастиц.
Упорядоченные решетки наночастиц в коллоидных суспензиях.
Наноструктурированные кристаллы для фотоники.
Раздел 6. Методы исследования наночастиц
Тема 6.1 Оптические методы
Структура. Атомные структуры. Кристаллография. Определение
размеров частиц. Структура поверхности. Микроскопия. Просвечивающая
электронная микроскопия. Ионно-полевая микроскопия. Сканирующая
микроскопия.
Тема 6.2 Спектральные методы
Спектроскопия. Инфракрасная и рамановская спектроскопия.
Фотоэмиссионная и рентгеновская спектроскопия. Магнитный резонанс.
Раздел 7. Ферромагнетизм в наноструктурах
Тема 7.1 Основы ферромагнетизма наночастиц.
Влияние наноструктурирования объемного материала на магнитные
свойства. Динамика наномагнитов. Магнитные частицы в нанопорах.
Наноуглеродные
ферромагнетики.
Гигантское
и
колоссальное
магнитосопротивление. Ферромагнитные жидкости.
Раздел 8. Оптическая и колебательная спектроскопия
Тема 8.1 Оптические свойства нанокристалл
Инфракрасный
диапазон.
Спектроскопия
полупроводников,
экситоны. Инфракрасная спектроскопия поверхности. Рамановская
спектроскопия. Бриллюэновская спектроскопия. Люминесценция.
Фотолюминесценция. Поверхностные состояния. Термолюминесценция.
Наноструктуры в цеолитовых ячейках.
Раздел 9. Квантовые ямы, проволоки и точки
Тема 9.1 Создание и свойства квантовых ям, проволок и точек
Приготовление квантовых наноструктур. Эффекты, обусловленные
размерами и размерностью нанообъектов. Размерные эффекты.
Размерность объекта и электроны проводимости. Ферми-газ и плотность
состояний. Потенциальные ямы. Частичная локализация. Свойства,
зависящие от плотности состояний. Экситоны. Одноэлектронное
9
туннелирование. Инфракрасные детекторы. Лазеры на квантовых точках.
Сверхпроводимость.
Раздел 10. Самосборка и катализ
Тема 10.1 Самосборка и каталитические свойства наночастиц
Самосборка. Процесс самосборки. Полупроводниковые островковые
структуры.
Монослои.
Катализ. Природа
катализа.
Площадь
поверхности наночастиц. Пористые материалы. Столбчатые глины.
Коллоиды.
Раздел 11. Органические соединения и полимеры
Тема 11.1 Органические и полимерные нано- и супромолекулярные
структуры.
Образование и описание полимеров. Полимеризация. Размеры
полимерных структур. Нанокристаллы. Ароматические соединения.
Полидиацетиленовые соединения. Полимеры. Проводящие полимеры.
Блок-сополимеры.
Супрамолекулярные структуры. Структуры с
переходными
металлами.
Дендритоподобные
молекулы.
Супрамолекулярные
дендримеры.
Мицеллы.
Биологические
наноматериалы.
Раздел 12. Наномашины и наноприборы
Тема 12.1 Применение наноматериалов в промышленности
Микроэлектромеханические системы. Наноэлектромеханические
системы. Изготовление. Наномашины и наноприборы. Молекулярные и
супрамолекулярные триггеры.
4.2. Структура лабораторных занятий.
№
п/
п
Раздел дисциплины
1
1
2
Синтез и определение
основных свойств
алюминиевых ноначастиц и
наноматериалов на их
основе
Виды учебной работы, Формы
текущего
Семестр Неделя
семестра включая самостоятельнуюконтроля
работу студентов и
успеваемости
(по
трудоемкость (в часах) неделям семестра)
Формы
лаборатосамостоя всего
промежуточной
рная тельная
аттестации
(по
работа работа
семестрам)
3
4
5
6
7
8
1,2,3
6
6
12
Протокол
№1.
7
Теоретический отчет
10
2
3
4
5
6
Получение и определение
важнейших свойств
магниевых наночастиц и
наноматеиалов
Получение керамических
наночастиц
SiC - карборунд
SiO2 - аэросил
Al2O3- корунд
MgO - периклаз
Стабилизация наночастиц и
доказательство их
существования
Рефераты на темы,
предложенные
преподавателем
(получение, стабилизация и
определение свойств
наночастиц и
нанокомпозитов.)
Итого
7
4,5,6
6
6
12
Протокол
№
Теоретический
отчет.
7
7,8,9
12
12
24
Протокол №3 .
Теоретический отчет
7
10,11,12 6
6
12
Протокол №4.
Теоретический отчет
7
13,14,15 6
6
12
Рефераты по темам
16,17,18 36
36
72
Зачет. Экзамен.
5. Образовательные технологии
Интерактивная составляющая лекционного курса (30% времени):
5.1. Ролевая игра.
5.1.1. «Распределение ролей сотрудников на производстве по получению и
стабилизации наночастиц и наноматериалов» - 180 минут (4 акад.час).
5.2. Деловая игра.
5.2.1. «Доказать, какой способ :физический , химический и физикохимический является самый лучший с различных точек зрения:
простота способа, экономические проблемы, экологические аспекты,
удобство в эксплуатации и т.д.» 180 минут (4 акад.час).
5.3. .Актуальная задача
5.3.1. «Нам срочно
надо провести алюмотермический наносинтез
композитов: Ti/Al2O3, Ni/Al2O3, Fe/Al2O3 . Какой синтез этих систем
экономически выгоден?» - 180 минут (4 акад.час).
5.4. Решение конкретных производственных проблем.
5.4.1. «Фотохимический способ получения наночастиц» - 2 час.
5.4.2. «Электрохимический способ получения наночастиц» – 2час
5.4.3. «Радиолиз и физические методы получения наночастиц» – 2 час
2.
11
5.5. Встреча с Генеральным Директором ООО «Нанокомпозит» (г.Саратов) с
Палагиным Анатолием Ивановичем.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная
работа
студентов
предполагает
освоение
теоретического материала [1]. Подготовку к лабораторным работам,
оформление лабораторных работ [2], выполнение письменных домашних
заданий, подготовку к текущему и итоговому контролю. Форма итогового
контроля – зачет (билеты в приложении 1)
Вопросы для самостоятельной подготовки
1. Основные понятия и определения. Историческая справка.
2. Кристаллическое строение твердых тел.
3. Физика диэлектриков, полупроводников и проводников.
4. Кластеры.
5. Способы получения и стабилизация наночастиц.
6. Размерные эффекты в нанохимии.
7. Характеристика углеродных наноматериалов.
8. Способы получения углеродных наноструктур.
9. Синтетические наноструктурированные материалы.
10.Природные нанокристаллы.
11.Оптические методы.
12.Спектральные методы.
13.Основы ферромагнетизма наночастиц.
14.Оптические свойства нанокристалл.
15.Создание и свойства квантовых ям, проволок и точек.
16.Самосборка и каталитические свойства наночастиц.
17.Органические и полимерные нано- и супромолекулярные структуры.
18.Применение наноматериалов в промышленности.
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины (модуля)
а) основная литература:
1. Рамбиди Н.Г., Берёзкин А.В. Физические и химические основы
нанотехнологий - М.: ФИЗМАТЛИТ,2008.-456с.
2. Сергеев Г.Б. Нанохимия-2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2007,336с.
3. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Мир материалов и технологии.
(Композиционные материалы. Механика и технология.) - М.:
Техносфера, 2005. -408с.
4. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Вологжанина С.А., Петкова А.П.
Нанотехнологии и специальные материалы: Учеб. пособие для вузов. СПб.: ХИМИЗДАТ.2009.-336с.
12
б) дополнительная литература:
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М. Техносфера, 2005.-328с.
2. Наноструктурные материалы: Учеб.пособие для студ. высш. учеб.
заведений/ Р.А.Андриевский, А.В. Рагуля.- М.: Издательский центр
«Академия»,2005.-192с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. http: //www.computerra.ru
2. http: //www.nanoware.ru
3. htttp://www.rsu.ru/rsu/nano/perspectives.html|
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
1. Учебная аудитория для чтения лекций
2. Оверхед-проектор и прозрачные пленки.
3. Учебная лаборатория для выполнения лабораторных работ, оснащенная
необходимым оборудованием.
4. Химические реактивы (нанопорошки алюминия, магния,железа,никеля,
кремния, карборунда, аэросила, периглаза, корунду и др.соединения).
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю
подготовки «физическая химия».
Автор
профессор, д.т.н.
Решетов В.А.
Программа одобрена на заседании кафедры физической химии
от 28 февраля 2011 года, протокол № __10__
Подписи:
Зав. кафедрой физической химии
профессор, д.х.н.
Казаринов И.А.
Директор Института химии СГУ (Институт, где разрабатывалась программа)
профессор, д.х.н
Федотова О.В.
Директор Института химии СГУ (Институт, где реализуется программа)
профессор, д.х.н
Федотова О.В.