Все задания -

Казанский клуб нанотехнологий
ЗАДАНИЯ
I РЕСПУБЛИКАНСКОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ
ОЛИМПИАДЫ ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
28 марта - 1 апреля 2013 г.
Казань
Казанский федеральный
университет
Казанский национальный
исследовательский
технический университет
им. А.Н. Туполева
Казанский
государственный
энергетический
университет
Министерство
по делам молодежи,
спорту и туризму
Республики Татарстан
При поддержке п рограммы развит ия деят ельност и
ст уденческих объединений образоват ельны х
учреждений вы сшего профессионального образования
2
Местная молодежная общественная организация
Казанский клуб нанотехнологий
NANO.KSU.RU
3
Инструкции и правила
Добро пожаловать на I республиканскую студенческую олимпиаду по
нанотехнологиям! Прежде чем приступить к решению заданий внимательно
прочитайте инструкции.
Задания олимпиады состоят из двух блоков. Для каждого блока Вы
получили у оргкомитета при регистрации специальные бланки, на всех
бланках уже проставлен Ваш шифр. Нигде на Вашей работе не должна
присутствовать Ваша фамилия или имя.
Первый блок - это тест, для ответа используйте специальный бланк
ответов. Поставьте крестик в клетке напротив номера вопроса в столбце
соответствующем букве верного на Ваш взгляд варианта ответа из
предложенных. Если варианты ответов не предложены, необходимо дать
свой краткий ответ с объяснением и подтверждением Вашей точки зрения в
выделенном для этого поле. Если Вы хотите исправить ответ, поставьте букву
верного ответа в клетке напротив номера вопроса в отдельном столбце,
расположенном рядом с таблицей ответов. В таблице ответов не ставьте
никаких лишних знаков и ничего не зачеркивайте.
На первый блок отводится один час, далее бланки ответов будут
собраны.
Второй блок - задачи, для ответа используйте только шифрованные
пронумерованные листы, выданные оргкомитетом. На всех дополнительных
листах обязательно проставьте Ваш шифр и номер листа. Поставьте номер
задачи, номер вопроса и укажите Ваше решение. Давайте четкие
обоснованные и однозначные ответы на вопросы в задачах. Решать можно
любые задания в любом порядке. Сдавать необходимо все листы работы, в
том числе пустые.
Напротив каждого вопроса указано количество баллов за верный ответ,
а в конце задания указана максимальная сумма баллов. Количество
присуждаемых баллов зависит от верности и полноты ответа, и рассуждений.
В течение всей олимпиады запрещено использование телефонов,
ноутбуков, литературы, совместное обсуждение заданий, разговоры.
Если Вам потребуются дополнительные листы или бланки ответов,
если у Вас возник вопрос – поднимите руку, к Вам подойдет сотрудник
оргкомитета.
Желаем успехов!
4
Тест
Авторы: Булат Гареев, Ильдар Гильмутдинов,
Бектур Мурзалиев, Альбина Сулкарнаева
Каждый вопрос содержит только один правильный ответ. В вопросах,
не содержащих вариантов, необходимо дать краткий ответ с объяснением.
Заполните специальный бланк ответов на тест.
1. Что изображено на рисунке?
«Шпилька» ДНК
тРНК
Крестообразная структура ДНК
Наноробот
2. Ген, взятый из одного организма и перенесенный в
другой организм или клетку?
Мутант
Трансген
ДНК
Мутаген
3. Артур Кларк в книге «Фонтаны рая» (The Fountains of Paradise) описал
будущие способы доставки грузов в космос без использования ракет, а
только с помощью космических лифтов:
В 1865 г.
В 1979 г.
В 1986 г.
В 2002 г.
4. Как называется задача, описывающая контакт кантилевера АСМ и
образца с точки зрения теории упругости?
Проблема Биннига
Задача Герца
Задача Гамакера
Эта задача не имеет именного названия
5. Для исследования каких макромолекул строят карты Рамачандрана?
Пептиды
Нуклеиновые кислоты
Липиды
Углеводы
5
6. Раздел электроники, в котором ключевую роль играет и заряд, и
собственный магнитный момент электрона:
Волновая электроника
Спинтроника
Квантовая электроника
Магнетроника
7. Как называются нитевидные кристаллы и неорганические волокна:
Криспы
Файберы
Цеолиты
Вискеры
8. Физическое явление, лежащее в основе компьютерной томографии:
Эффект Мёссбауэра
Ядерный магнитный резонанс
Электронный парамагнитный резонанс
Поглощение рентгеновских лучей
9. Как называется сверхпрводящая пленка, состоящая из первого слоя,
примыкающая к сверхпроводящей пленке, и второго слоя ферромагнетика,
разделенных прослойкой из неферромагнитного материала?
Топологический сверхпроводник
Топологический изолятор
Ферромагнитный сверхпроводник
Сверхпроводящий спиновый вентиль
10. Твердотельный сверхпроводниковый наноэлемент, в котором через
тонкую изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя
сверхпроводниками протекает туннельный ток:
Контакт Шоттки
Контакт Джозефсона
Контакт Ганна
Контакт Котэ
11. Метод исследования свойств вещества на границе (поверхности) раздела
различных сред по состоянию поляризации отраженного или преломленного
света:
Эллипсометрия
Комбинационное рассеяние света
Лазерная абляция
Спекл-интерферометрия
6
12. Наноразмерная углеродная структура, образованная вложенными друг в
друга углеродными сферами:
Фуллерит
Ламинат
Карбонид
Нанолуковица
13. Процесс расслоения наполнителя со слоистой структурой в матрице
нанокомпозитного материала в результате которого получаются единичные
наночастицы:
Интеркаляция
Эксфолиация
Расслоение Хопфа
Деинтеркаляция
14. Квазичастица, которую используют
колебаний свободного электронного газа:
Фотон
Экситон
Плазмон
Электрон
для
описания
коллективных
15. Какая организация планирует создать доступный для всех банк данных с
описанием последних достижений в изучении нанотехнологий и их влияния
на окружающую среду?
Environmental Protection Agency
National Nanoscience Council
International Council on Nanotechnology
Institute of Higher Learning
16. Официальный стандарт единицы измерения массы сделан:
Из платины
Из железа
Из серебра
Из вольфрама
17. Ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого это:
Литография
Топохимия
Эпитаксия
Метод Вернейля
7
18. Если объект вращается вокруг Земли с угловой скоростью, равной
угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, то его орбита
называется:
Низкой орбитой
Галактической орбитой
Солнечной орбитой
Геостационарной орбитой
19. Национальный научный фонд США спрогнозировал, что рынок
нанопродуктов и нанотехнологий достигнет величины одного триллиона
долларов в:
2013
2015
2024
2032
20. Компания L’Oreal использует в своих новых кремах нанотехнологии для
доставки под поверхностный слой кожи:
Питательных веществ
Липидов
Ботокса
Фосфоресцирующих наночастиц
21. Возможность оптической связи между спутниками для передачи
большлго объема данных впервые были продемонстрированы в проекте:
ARTEMIS
ARROW
CALLISTO
ORION
22. Микроскоп, созданный Антони ван Левенгуком, имел увеличение:
50-кратное
75-кратное
100-кртаное
200-кратное
23. Что такое в буквальном переводе термин "форсайт", используемый для
построения "дорожных карт" нанотехнологий?
Ускорение
Взгляд в будущее
Ретроспективный анализ
Модульное позиционирование
8
24. В связи с тем, что мышьяк представляет большую опасность для здоровья
человека, EPA (The U.S. Environmental Protection Agency) ужесточила
стандарты для его предельного содержания в питьевой воде до:
1 ppb
5 ppb
10 ppb
50 ppb
25. Как
называется
молекула
ДНК,
способная
самостоятельно
реплицироваться в клетках различных организмов, включать в себя
чужеродную ДНК и обеспечивать клонирование и экспрессию встроенного в
нее гена? Является инструментом генной инженерии.
Вектор
Плазмида
Ген
Ампликон
26. Учеными, открывшыми в 1951 г. структуру ДНК, являются:
Дж. Уотсон и Ф. Крик
Дж. Джеймс и Э. Эбби
У. Вильямс и Г. Беннет
М. Брайан и У. Маккенна
27. Где используется кислородный электрод Кларка:
Измерение концентрации глюкозы
Измерение концентрации эритроцитов в крови
Для электрохимического окисления гидрохинона
Для восстановления НАДФ в хлоропластах
28. Нульмерные частицы — это:
Кластеры (например, сферические наночастицы серебра)
Фуллерены
Квантовые точки
Все ответы верны
29. Какой из приборов НЕ применяется для изучения молекулярных
наночастиц?
Газовая хроматография
Метод ЯМР
Атомно-силовой микроскоп
Ванна Лэнгмюра
9
30. Что НЕ является отличием дендримеров от сверхразветвленных
полимеров?
Регулярность строения
Монодисперсность
Невозможность изменять вязкость при изменении качества
растворителя
Наличие в структуре звеньев, у которых прореагировали все
функциональные группы
31. У какого типа излучения длина волны меньше 1 ангстрема?
Ультрафиолетового
Рентгеновского
Радиоизлучения
Гамма-излучения
32. Топологический изолятор — это:
Изолятор с топологической поверхностью
Изолятор в виде ленты Мебиуса
Особый тип материала, внутри объема, который представляет
собой диэлектрик, а на поверхности проводит электрический ток
Логический изолятор
33. Частицы, подчиняющиеся дробной статистике называют:
Аксионы
Анионы
Фермионы
Бозон Хиггса
34. Как называется процесс разъединения двойной спирали нуклеиновых
кислот на комплиментарные одноцепочечные нити под действием
физических или химических факторов?
Деградация
Денатурация
Репликация
Амплификация
35. Интегральные фотоэмиссионные спектры нанотрубок количественно
согласуются:
С теорией Томонаги Латтинжера.
С теорией ферми-жидкости Ландау
С теорий хокинговского излучения
С теорией Ли Смолина
10
36. Кубит — это:
Наименьший элемент для хранения информации в квантовом
компьютере
Набольший элемент для хранения информации в квантовом
компьютере
Большое количество битов
Куб в 5-мерном пространстве Калуцы-Клейна
37. Спиновый эффект Холла — это:
Явление возникновения поперечной разности потенциалов при
помещении проводника с постоянным током в магнитное поле
Эффект квантования холловского сопротивления или проводимости
двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при
низких температурах
Эффект квантовая магнитного поля в черной дыре
Эффект отклонения электронов с антипараллельными спинами к
противоположным сторонам немагнитного проводника при
отсутствии внешнего магнитного поля
38. Трехмерный брат пикселя?
Воксел
Кубит
Аксел
Триксел
39. Гигантское магнитосопротивление открыли:
Андрей Гейм и Константин Новоселов
Петер Грюнберг и Альберт Фер
Дэвид Дойч и Поль Дирак
Алексей Китаев и Андрей Линде
40. Эффект квантового туннелирования заключается в:
Прохождении массивного объекта через кротовую нору
В прохождении частицы сквозь потенциальный барьер
В создании квантовых туннелей между звездными объектами
В проникновении частицы с очень большим зарядом в черную дыру
41. Концепцию топологического квантового компьютера предложил:
Ричард Фейнман
Эрик Дрекслер
Алексей Китаев
Эдвард Виттен
11
42. Какой из квантовых алгоритмов факторизует числа N за время O ((log N )3 )
и ресурсы O (log N ) :
Алгоритм Шора
Алгоритм Гровера
Алгоритм Дойча-Джоза
Алгоритм Полякова
43. Что такое квантовая точка?
Афинная точка в гильбертовом пространстве
Одномерная аллотропная модификация углерода
Бесконечно малое возмущение квантовой системы
Полупроводниковые нанокристаллы с размером в диапазоне 2-10
нанометров, состоящие из 103  105 атомов, созданные на основе
неорганических полупроводниковых материалов
44. Квантовая телепортация — это:
Мгновенная передача квантов электромагнитного поля
Телепортация объектов при помощи квантовых технологий
Перемещение объектов в параллельное измерение
Передача квантового состояния на расстояние при помощи
разъединённой в пространстве сцепленной (запутанной) пары и
классического канала связи
45. Графен и топологический изолятор имеет похожую:
Линейную дисперсионную зависимость
Решетку Браве
Нелинейную дисперсионную зависимость
Комплексную диэлектрическую проницаемость
46. Что такое квантовый вихрь?
47. В чем заключается принцип неопределенности Гейзенберга?
48. Что такое экситон?
49. Что такое квантовые плоскости?
50. Чему равна длина волны де Бройля шарика массой 1г, движущегося со
скоростью 2 м/с?
Всего 50 баллов.
12
1. Материал для нанотрубок
Автор: Валерий Штырлин
При взаимодействии вещества А с алкилгалогенидом В получаются
бесцветная вязкая жидкость С и твердое вещество D. При взаимодействии С с
дисульфидом металла (E) в гексане выделяется жидкость F и получается
твердое соединение переменного состава G, обладающее электрической
проводимостью. Соединение G может быть получено также
электрохимически при использовании E в качестве катода и сплава А с
алюминием в качестве анода. При обработке соединения G раствором I2 в
ацетонитриле получается соединение E.
1. Что представляют собой вещество A, если название его происходит
от слова «камень»? (3 балла)
2. Какова формула вещества C, если содержание водорода в нем
составляет 14.16%? (3 балла)
3. Приведите возможные формулы соединений B и D. (4 балла)
4. Какова общая формула соединения G, если содержание серы в нем
составляет не менее 53.9%, к какому классу веществ относится это
соединение? (6 баллов)
5. Запишите реакцию получения соединения G и формулы
соединений E и F? (3 балла)
6. Какой растворитель и какой фоновый электролит следует
использовать при электрохимическом получении вещества G? (3 балла)
7. Как электрохимическим способом из вещества G можно получить
E? (4 балла)
8. Чем обусловлена проводимость соединения G? (2 балла)
9. В каких устройствах может применяться соединение G? (2 балла)
10. Приведите простой способ получения нанотрубок соединения Е.
(5 баллов)
Всего 35 баллов.
13
2. Сканирующий зондовый микроскоп
Автор: Дмитрий Таюрский
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) позволяет получать
изображения поверхности с атомарным разрешением. СТМ-изображения
принципиально отличаются от типичных оптических изображений, так как
вместо отраженного света для увеличения изображения используется
квантовое туннелирование электронов для получения распределения
электронной плотности на поверхности проводящего образца и
последующего определения положения атомов на поверхности
Сканирующий туннельный микроскоп работает за счет перекрывания
волновых функций электронов в «игле» (tip) и электронов на поверхности
образца при очень близком (порядка 1 нм) расположении иглы у
поверхности. Согласно законам классической физики электроны не могут
переходить с иглы на поверхность и обратно, так что никакого
электрического тока между иглой и поверхностью протекать не может.
Однако если зазор между иглой и поверхностью достаточно мал и
приложена небольшая разность потенциалов между ними, квантовая
механика разрешает туннелирование электронов и между иглой и
поверхностью образца протекает так называемый туннельный ток.
1. Предложите простейшую модель для расчета туннельного тока в
зависимости от размера зазора между иглой и поверхностью и от
приложенной разности потенциалов. (6 баллов)
2. Опишите возможные режимы работы сканирующего туннельного
14
микроскопа для визуализации положения атомов на поверхности. (4 балла)
3. Какое влияние на результаты измерений может оказать окисление
поверхности образца и наличие примесей? (5 баллов)
4. Оцените давление электронного луча и механическое напряжение
в область поверхности под иглой сканирующего туннельного микроскопа.
Типичные значения для количественных оценок: ток 0.01 А, приложенного
напряжение 5 В, радиус иглы 20 нм, зазор между иглой и поверхностью 1 нм.
(10 баллов)
5. Возможно ли с помощью СТМ получение 3-мерного распределения
электронной плотности вблизи поверхности образца? (5 баллов)
6. Оцените разрешение сканирующего электронного микроскопа в
вертикальном направлении и в горизонтальной плоскости. (5 баллов)
Всего 35 баллов.
15
3. Сферическая неразбериха
Автор: Александр Трифонов
В сканирующей электронной микроскопии в качестве тест-объектов
часто используют образцы правильной формы. Эталонные образцы - это, как
правило, оловянные шарики на углероде. Но в процессе работы на
электронном микроскопе мы часто встречаем структуры сферической
формы.
Микросферы энергетических зол - полые стеклокристаллические
алюмосиликатные микросферы размером в среднем от 0.2-0.5 мкм до 400500 мкм, которые образуются в составе летучей золы при
высокотемпературном факельном сжигании угля. Микросферы являются
превосходным наполнителем при производстве изделий из пластмасс, гипса,
керамики, облегченных цементов, и др. строительных материалов. Изделия с
добавлением микросферы обладают повышенной износостойкостью,
легкостью и высокими изоляционными свойствами. Кроме всего,
использование микросферы в качестве наполнителей, значительно снижает
себестоимость продукции.
В общем случае, фотонный кристалл – это материал, структура
которого характеризуется периодическим изменением показателя
преломления. Одними из первых материалов, которые стали
рассматриваться в качестве фотонных кристаллов, были синтетические
опалы. Также как и аналогичные драгоценные камни природного
происхождения,
эти
искусственные
материалы
образованы
монодисперсными сферическими частицами SiO2, упакованными в
плотнейшей шаровой упаковке. Диаметр частиц, как правило, не превышает
300 нм.
1. Что, по-вашему, изображено на 1 и 2 рисунках? (7 баллов)
2. Почему в качестве юстировки электронного микроскопа
используются сферические эталоны? Какие эталоны вы знаете? Какие могли
бы быть? (10 баллов)
3. Обратите внимание, при каких ускоряющих напряжениях сняты 1
(15 kV) и 2 (5 kV) рисунки, чем это может быть обусловлено? (8 баллов)
4. Интерпретируйте рисунок 3 (метод, сходства, различия, объект)?
(10 баллов)
Всего 35 баллов.
16
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
17
4. Нанотоксичность
Автор: Артур Сабиров
«Все в мире есть яд, и лишь только
доза делает вещество безопасным»
Парацельс
Бурное развитие нанотехнологий и их широкое распространение
создаёт предпосылки для всё большего воздействия наночастиц на
человечество и окружающую среду, что несёт потенциальную опасность.
Перед учёными возникла проблема измерения токсического воздействия
наночастиц на организм человека. Особенно остро этот вопрос встал в связи
с развитием наномедицины, которая, помимо всего прочего, предполагает
целенаправленное введение наночастиц во внутреннюю среду организма.
Решением этой проблемы занимается молодая междисциплинарная область
знаний - нанотоксикология.
1. Перечислите
возможные
пути
поступления
наночастиц,
используемых в промышленности и медицине, в организм человека.
(6 баллов)
Организм человека, как и любая другая живая система, обязана
поддерживать постоянство внутренней среды (гомеостаз) и имеет
множество защитных механизмов, не дающих внешним факторам сместить
установившееся в системе равновесие. Однако многочисленными
экспериментами доказана способность больших концентраций наночастиц
нарушать биохимические и физиологические процессы организма.
2. Какие защитные механизмы в организме человека должна
преодолеть наночастица, чтобы попасть в клетку и нанести ей вред, и какие
физико-химические свойства она должна для этого иметь? (7 баллов)
Одними из представителей транспортной системы мембран клетки
являются ионные каналы. Они представляют собой белки, образующие в
мембране пору, через которую осуществляется обмен ионами между
внешней и внутренней средой клетки. Благодаря такому обмену разность
потенциалов по обе стороны от мембраны остаётся постоянной.
3. Может ли молекула фуллерена С60 проникнуть в клетку через
калиевый канал плазматической мембраны? (6 баллов)
Одним из ярких примеров нарушения биохимических процессов
18
организма наночастицами является метаболический алкалоз (повышение рН
крови) у мышей, питающихся пищей, содержащей наночастицы меди.
4. Какие биохимические процессы лежат в основе метаболического
алколоза? (8 баллов)
Учёным, изучающим нанотоксикологию, необходимо знать не только
биохимические отклонения организма, связанные с пагубным воздействием
наночастиц, но и патологии, возникающие в отдельных органах. Для этого
биологи проводят вскрытие погибшей от интоксикации мыши и делают
срезы основных органов для гистологического анализа, который показывает,
где и в каких количествах накопились наночастицы и как это отразилось на
тканях органа.
5. Предположите, какие органы аккумулировали наночастицы меди в
большей и меньшей степени, и поясните свою точку зрения. (8 баллов)
Всего 35 баллов.
19
5. Задача о самопроцессах
Автор: Иван Стойков
Самоассоциация – это способность молекул и супермолекул к
самопроизвольному образованию агрегатов, обычно регулярного строения.
Самоассоциация является частью так называемых «самопроцессов» (selfprocesses), к которым относятся самосборка (self-assembly), самоорганизация
(self-organization), воспроизведение, или репликация (replication). Интерес к
ним обусловлен тем, что такие процессы не имеют принципиальных
ограничений масштабирования в субмикронной области. Поэтому на них
основаны многие технологии получения наноразмерных объектов,
обладающих
регулярным
строением.
Все
указанные
термины
самопроцессов, за исключением репликации, имеют отношение к близким
по природе процессам. Это образование структур, характеризующихся
повторяемостью структурных фрагментов. В отличие от классических
кристаллических решеток, взаимодействие повторяющихся элементов носит
нековалентный множественный характер, т.е. относится к сфере
супрамолекулярной химии. Кроме того, сами повторяющиеся компоненты,
участвующие в реакциях самоассоциации или образующиеся в них, относятся
к супрамолекулярным агрегатам.
1. Назовите основные отличия двух процессов - самоорганизация
(self-organization) и самосборка (self-assembly). (5 баллов)
2. Какую структуру образуют при взаимодействии вещества (1) и (2)?
Какую функцию в наноматериалах выполняет этот самособирающийся
структурный фрагмент? (10 баллов)
(2)
(1)
20
3. Опишите процесс, который изображен на нижеприведенной схеме,
используя теорию химических связей. Предположите, как добавление
катионов щелочных металлов (М+) повлияет на макроскопические свойства
материала. Где в нанотехнологиях и повседневной жизни можно применить
подобные материалы? (10 баллов)
4. Дайте определение процессу
молекулярная саморепликация? (5 баллов)
саморепликации.
Что
такое
Всего 30 баллов.
21
6. Взрывные реакции
Автор: Булат Гареев
Явление быстрых, практически взрывных криохимических реакций
более детально изучено на примере систем магний – галогенуглеводороды.
Первоначально оно было зафиксировано при снятии спектров ЭПР, когда
легкое встряхивание реактора приводило к взрывной реакции.
Киносъемка процесса показала, что реакция имеет место за время
меньше 0,01 с. При дальнейших исследованиях с разными
галогенпроизводными стало очевидно, что реакция зависит от толщины
пленки соконденсата магния с галогенуглеводородом. Полученные
результаты представлены в таблице 1.
Система
Нижний предел, мкм
Верхний предел, мкм
Mg-1,2-C2H4CI2
20
90-100
Mg-C2H6Cl
90-110
220-270
Mg-C6H5Cl
35-40
120-140
Табл. 1 Влияние природы галогенуглеводорода и толщины пленки
соконденсата с магнием на криовзрывные реакции
Детальное исследование пленок соконденсатов магния и дихлорэтана
позволило уточнить механизм быстрых, взрывных реакции с участием
магния. Взрывная реакция между магнием и дихлорпроизводным
наблюдается (рис. 1) при некоторой критической толщине (Lкр).
Рис. 1
22
На рис. 1 изображена зависимость критической толщины пленки
соконденсата магния и 1,2-дихлорэтана: I - при 80 К; II - при 90 К; I и III критические толщины для температур 80 и 90 К соответственно; II и IV —
предельные толщины, при которых не было зарегистрировано взрывной
реакции, для температур 80 и 90 К соответственно
Превращение достигает практически 100%. Реакция сопровождается
выделением тепла, газа и механическим разрушением пленки.
1. Напишите уравнение реакции между магнием и дихлорэтаном.
(10 баллов)
2. От чего зависит критическая толщина пленки соконденсата? Как
именно проявляется эта зависимость? (10 баллов)
3. Чем могут инициироваться взрывные реакции при достижении
критических толщин пленок? Дайте развернутый ответ. (10 баллов)
Всего 30 баллов.
23