Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики

1905 р. Швейцарський фізик  Альберт Ейнштейн опублікував  наукову працю, в якій доказував, що розмір молекули цукру становить приблизно 1 нанометр.

1906-1911 рр. Англійський фізик  Ернест Резерфорд експериментальним  шляхом визначив розподіл електричних  зарядів у атомі, заклавши основи  ядерної моделі атома.

1913 р. Голландський фізик  Нільс Бор розробив теорію будови атома.

1926 р. Австрійський фізик  Ервін Шредінгер вивів рівняння, яке давало можливість визначати  ймовірність перебування електрона  в певній одиниці об’єму.

1927 р. Німецький фізик  Вернер Гейзенберг вивів співвідношення  невизначеностей, яке вказувало на особливості природи мікрочастинок, які зумовлені їх корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

1928 р. Російський фізик  Георгій Гамов отримав розв’язки  рівняння Шредінгера, які описували  можливість проникнення елементарною  частинкою енергетичного бар’єру навіть у тих випадках, коли енергія частинки менша за висоту бар’єру. Це явище було назване тунелюванням (тунельним ефектом).

1931 р. Німецькі фізики  Макс Кнолл і Ернст Руска  створили електронний мікроскоп, який вперше дав можливість  досліджувати нанооб’єкти .

1959 р. Американський фізик  Річард Фейнман опублікував праці, в яких уперше оцінювалися  перспективи мініатюризації виробів  та прогнози нанотехнологій.

1968 р. Американські вчені  Альфред Чо і Джон Артур  розробили теоретичні основи  нанотехнології при обробці поверхонь.

1974 р. Японський фізик  Норіо Танігучі (Танігуті) увів у  науковий обіг термін «нанотехнологія», яким запропонував називати механізми  і вироби, розмірами менше одного  мікрона.

1981 р. Німецькі фізики  Герд Бінніг і Генріх Рорер створили мікроскоп здатний розрізняти окремі атоми. Він отримав назву скануючого тунельного мікроскопа (СТМ).

1985 р. Американські фізики  Роберт Керл, Херольд Крото і  Річард Смейлі, удосконалюючи СТМ, створили технологію, за допомогою  якої вдалося точно вимірювати об’єкти розміром у 1 нм.

1986 р. Створення атомно-силового  мікроскопа (АСЛ), за допомогою якого  можна здійснювати взаємодію  не лише з електропровідними (як  у СТМ), а й з будь-якими речовинами.

1990 р. Розроблено технологію  маніпулювання одиничними атомами.

1994 р. Початок застосування  нанотехнологій у промисловості.

1998 р. Сиз Деккер, голландський  професор Технічного університету  м. Делфтса, створив транзистор на  основі нанотрубок, використовуючи  їх як молекули. Для цього йому  довелося першим у світі виміряти електричну провідність такої молекули. З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.

2003 р. Професор Фенг Лью  з університету Юти, використовуючи  напрацювання Франца Гіссібла, за  допомогою атомного мікроскопа  побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їх обурення при русі навколо ядра.

Розповідаючи учням про інструментарій нанотехнологій, варто хоча б схематично показати його еволюцію і ті мотиви, які спричинювали його постійне удосконалення.

Відомо, що першими були оптичні мікроскопи, удосконалення яких відбувалося шляхом досягнення все більших і більших розмірів зображень розглядуваних об’єктів. Причинами, які цьому перешкоджали, були різної природи оптичні аберації. І коли було досягнуто дифракційної межі для видимого світла, стало зрозуміло – оптичні пристрої не дадуть можливості побачити атоми, розміри яких порядку 10-10 м. Підійти впритул до цієї мети допоміг електронний мікроскоп, але проблема залишалася не до кінця вирішеною. Наступними удосконаленнями електронного мікроскопа стали польовий йонний мікроскоп (Е. Мюллер – 1951 р.) і просвічуючий електронний мікроскоп високої роздільної здатності. Проте, обидва ці мікроскопи мають суттєві обмеження в застосуванні, пов’язані зі специфічними вимогами до форми і розмірів зразків.

Тому подальше удосконалення інструментарію нанотехнологій спрямовувалося на використання в мікроскопах таких явищ і ефектів, які б не вимагали особливих обмежень розмірів зразка. Такий мікроскоп був сконструйований на початку 1980-х років співробітниками швейцарського відділення компанії IBM Г. Біннігом і Г. Рорером.

У цьому мікроскопі використано квантове явище тунелювання, тому він отримав назву «скануючого тунельного мікроскопа» (СТМ), який дозволяв розглядати поодинокі атоми речовини. Принцип дії СТМ, ґрунтується на поєднанні трьох явищ: сканування, тунелювання і локального зондування. Унікальність СТМ полягає в тому, що він не містить лінз (отже, зображення не спотворюється абераціями).

Протягом більш ніж чверті століття після створення СТМ принципи роботи, закладені в основу його роботи, удосконалювалися і зараз використовуються десятки варіантів зондової скануючої мікроскопії (ЗСМ).

Як видно з їх назви, спільним у цих методів є наявність зонда ( найчастіше – це добре загострена голка з радіусом при вершині ~ 10 нм) і скануючого механізму, здатного переміщати зонд над поверхнею зразка по трьох координатах.

Відомі на цей час методи ЗСМ умовно ділять на три групи:

• скануюча тунельна мікроскопія; в ній між електропровідною голкою (її загостреним кінцем) і зразком прикладається невелика напруга (~ 0,1 – 10 В) і реєструється тунельний струм у проміжку між ними, величина якого залежить від розташування атомів на досліджуваній поверхні зразка;
• атомно-силова мікроскопія; в ній реєструється зміна сили притягання голки до поверхні від точки до точки зразка. АСМ не вимагає, щоб зразки були провідниками, і дозволяє досліджувати структурні властивості провідників та ізоляторів;
• ближньопольова оптична мікроскопія; в ній зондом слугує оптичний хвилепровід (світловолокно), який на кінці, що спрямований на зразок, має звуження діаметра до розмірів, менших за довжину хвилі світла, яке поширюється по ньому. На другому кінці хвилепровода розміщено лазер-випромінювач світла і приймач відбитого від вільного торця зразка світла.

Для кращого розуміння учнями назв наноматеріалів, їх властивостей та галузей застосування доречно, хоча б схематично, пояснити технологію їх отримання, яка зводиться до певних маніпуляцій атомами з метою отримання необхідних атомних структур.

Механізм маніпулювання атомами приблизно такий. Коли напруга між зразком і голкою дещо більша, ніж у робочому режимі тунелювання, атом із поверхні зразка (вірніше іон) може «перестрибнути» на зонд. Змінивши напругу, можна примусити його «зістрибнути» назад. Якщо в проміжку між цими подіями голка-зонд переміститься, то атом повернеться на зразок вже в інше місце. Маніпулюючи атомами таким чином, їх можна «укладати» бажаним дослідникові способом, тобто, здійснювати не лише захват окремих атомів, перенесення їх в іншу позицію, а й здійснювати атомарний монтаж бажаних структур.

Принципово важливо, що в них у значній мірі проявляється дискретна структура речовини, а, отже, квантові закономірності поведінки. Задовільняючи потребу в мініатюризації, зниженні енергозатратності та матеріалоємності, такі системи мають ще й ту позитивну властивість, що завдяки збігові геометричних і фізичних параметрів із зменшенням їх розмірів зменшується і характерний час перебігу різноманітних процесів у системі, тобто зростає її потенціальна швидкодія, що відкриває нові можливості в створенні комп’ютерів нових поколінь.

 

3.2. Викладання  елементів нанофізики і нанотехнологій в старшій школі

 

Вивчення елементів нанофізики і нанотехнологій в старшій школі можна поєднати з такими розділами та складовими частинами навчальної програми:

В 10-му класі за навчальною програмою учням можна викладати  відомості про нанотехнології в першому розділі. Використовуючи матеріал при вивченні таких тем: кристалічні та аморфні тіла; рідкі кристали та їх властивості; полімери: їх властивості і застосування, а також на узагальнюючих заняттях до розділу з теми сучасні погляди на простір і час.

В 11-му класі знання учнів про нанотехнології можна розширювати викладаючи матеріал в чотирьох розділах: електричне поле і струм; електромагнітне поле; хвильова і квантова оптика; атомна і ядерна фізика.

В розділі електричне поле і струм вивчення матеріалу можна поєднати з темами: напівпровідники; напівпровідниковий діод; застосування напівпровідникових приладів. В другому розділі можна пояснити учням про використання нанотехнологій для зчитування та запису інформації. В наступних розділах виклад відомостей про нанотехнології можна здійснювати поєднуючи їх з темами визначеними навчальною програмою: квантові властивості світла; гіпотеза М.Планка, світлові кванти; квантові генератори та їх застосування; історія вивчення атома; квантові постулати Н.Бора.

Завершуючи вивчення нанотехнологій в старшій школі можна провести декілька узагальнюючих уроків з тем: фізика і науково-технічний  прогрес; фізична картина світу як складова природничо-наукової картини світу; роль науки в житті людини та суспільному розвитку. Тим самим показати загальну картину про нанотехнології, перспективу їх вивчення та значення для суспільства.

Продовжувати викладати матеріал в старшій школі можна використовуючи наступний матеріал.

За останні роки розроблено сотні наноструктурованих матеріалів конструкційного і функціонального призначення, реалізовані десятки способів їх отримання і серійного виробництва. Можна вказати кілька основних галузей їх застосування: високоміцні нанокристалічні і аморфні  матеріали, тонкоплівкові і гетероструктурні компоненти мікроелектроніки і оптоелектроніки наступного покоління, магнітном’які і магнітнотверді матеріали, нанопористі матеріали для хімічної і нафтохімічної промисловості, інтегровані мікроелектромеханічні пристрої, незаймисті нанокомпозити на полімерній основі, паливні елементи, електричні наноакамулятори, сонячні батареї, інші перетворювачі енергії, біосумісні тканини для трансплантації, лікарські препарати та ін.

Підсумовуючи сказане, варто переконатися в розумінні учнями того, що наноматеріали – це матеріали, які розроблені на основі наночастинок, з унікальними властивостями, що є наслідком мікроскопічних розмірів їх складових.Далі слід назвати найбільш поширені і придатні для конвейєрного виробництва наноматеріали і нанопристрої: вуглецеві нанотрубки, фулерени та ін..

Розповідаючи учням про перспективи нанотехнологій, варто навести приклади, які б підтверджували очевидне, що класичні методи виробництва наближаються до своєї природної, економічної і технологічної межі – коли намагання хоч не набагато зменшити розмір того чи іншого виробу, призводить до значних економічних витрат. Тому нанотехнологія – наступний логічний крок розвитку наукоємких виробництв.Подальший розвиток нанотехнології передбачає перехід від окремих елементів і їх збирання до інтегрування сенсорної, логічно – аналітичної, рухової і виконавської функцій в одному пристрої.

На даний момент намітились такі перспективи розвитку і галузі      застосування нанотехнологій:

• промисловість – заміна традиційних методів виробництва предметів споживання шляхом їх збирання молекулярними роботами безпосередньо з атомів і молекул;
• матеріалознавство – створення «бездефектних» надміцних матеріалів та матеріалів з високою провідністю;
• електроніка – конструювання нанометрової елементної бази для ЕОМ наступних поколінь, нанопровідників, транзисторів, випрямлячів, дисплеїв, акустичних систем;
• приладобудування – створення скануючих мікроскопів, атомарно-силових мікроскопів , магнітних силових мікроскопів, мініатюрних надчутливих датчиків, нанороботів;
• оптика – створення нанолазерів;
• кібернетика – відбудеться перехід від нинішніх планарних структур до об’ємних мікросхем. Розміри активних елементів зменшаться до розмірів молекул. Будуть поширеними схеми вирішення на нейроподібних елементах;
• освоєння космосу – роботи будуть працювати у навколоземному космічному просторі і готуватимуть його до заселення людьми;
• сільське господарство – природні «виробники» їжі (рослини, тварини) будуть заміщені аналогічними функціональними комплексами із молекулярних роботів. Вони будуть відтворювати

     ті ж самі хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі, але значно коротшим і ефективнішим шляхом. Таке «сільське господарство» не буде залежати від погодних умов, не буде

    потребувати важкої фізичної праці, а його продуктивності вистачить, щоб вирішити продовольчу

     проблему назавжди;

• біологія – стане можливим введення наноелементів у живий організм на рівні атомів. Наслідком може бути  як «відновлення» вимерлих видів, так і створення нових живих істот, біороботів;
• медицина – створення наноінструментів для знищення вірусів, «локального» ремонту органів, надточної доставки ліків у певні місця живого організму. Створення молекулярних біороботів - лікарів, які б жили всередині організму людини, ліквідовуючи, або попереджаючи можливі його пошкодження, враховуючи і генетичні;
• геронтологія – досягнення особистого безсмертя за рахунок проникнення в організм молекулярних роботів, здатних попереджати старіння клітин, а  також перебудову і поліпшення

     тканин людського організму ;

• екологія – повна ліквідація шкідливого впливу людини на оточуюче середовище за рахунок насичення атмосфери роботами – санітарами, які перетворюватимуть відходи діяльності людини на вихідну сировину, а промисловість і сільське господарство будуть переведені на безвідходні нанотехнологічні методи.

На думку багатьох вчених, ХХІ століття буде століттям нанонауки і нанотехнологій, які й визначать його обличчя. Поряд із сподіваннями на позитивний напрям розвитку нанотехнологій учням необхідно розповідати і

про можливі перестороги з цього приводу. Прикладом може слугувати гіркий досвід використання ядерної енергії у військових цілях. У новітніх нанотехнологіях теж криється неабияка небезпека. У 1986 році американський вчений Ерік Деркслер висунув так звану теорію «сірого слизу». За прогнозом цього вченого, якщо будуть створені нанороботи, здатні до самовідтворення, то у разі програмного збою вони можуть безконтрольно продукувати нові й нові організми, використовуючи як матеріал усю доступну біомасу. Унаслідок такого «нанохаосу» Землю може вкрити «сірий слиз» - однорідний шар липких елементів, породжених «повстанням» наномашин. Окрім гіпотетично-фантастичної теорії «сірого слизу», стосовно атомно-молекулярних ноу-хау, є чимало більш серйозних аргументів щодо можливості застосування їх зі злим умислом. Розвинені країни уже зараз виділяють значні кошти на оборонні (воєнні) розробки саме в цих галузях. Експерти в галузі застосування нанотехнологій відмічають, що наноелектромеханічні (НЕМС) системи і пристрої на їх основі уже найближчим часом стануть елементами вузлів, виробів, зразків, комплексів і систем озброєння та військової техніки.