CC BY
20
МОЛЕКУЛЯРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛОСКИХ УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР ОТ БЕНЗОЛА ДО ГРАФЕНА В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ЦЕЛЯХ
М. Ф. Гребёнкин, Л. П. Лобова
Аннотация. Отталкиваясь от понимания важности молекулы как важнейшего физического объекта, а также от трудности ее различения даже при помощи электронного микроскопа, авторы ставят проблему правильного моделирования молекулы в образовательных целях с тем, чтобы наглядно представить ее структуру, на основании которой можно комментировать ее свойства и характер взаимодействия с другими молекулами. К данной задаче, по мнению авторов, вплотную примыкает задача моделирования объектов, которые относятся к нанотехнологиям. Статья посвящена созданию компьютерной программы, позволяющей моделировать плоские углеродные структуры.
Ключевые слова: молекулярное моделирование, образование, мультимедийность, нанотехнологии.
Summary. Based on the significance of molecule as a most important physical object, as well as the difficulty ofdistinguishingit even with an electronic microscope, the authors discuss the importance of properly simulating the molecule for educational purposes in order to visualize its structure which could be used by students to comment on its properties and interaction with other molecules. In the authors' view, this problem is closely connected with the problem of modelling objects that belong to the so-called nanotechnology. The article is devoted to the creation ofa computer program that will simulate the fiat carbon structures.
Keywords: molecule modelling, education, multi-media, nanotechnology.
215
Развитие микроэлектроники, на-нотехнологий, биотехнологий и других современных направлений техники требует от специалистов, работающих в этих областях, да и от пользователей все большего понимания атомно-молекулярной структуры вещества. Школьное и высшее образование должно соответствовать новым требованиям [1, с. 5]. По нашему мнению, традиционные усилия по преподаванию молекулярно-кине-тической теории, основ квантовой
механики, химии и пр. следует дополнить знакомством учащихся с новейшими материалами современной техники и способами их получения; желательно это делать с использованием современных учебных технологий. Эта работа будет более продуктивной, если будет основана на достаточно простых и конкретных физических идеях [2, с. 24].
В качестве материала, с которым интересно было бы познакомить школьников и студентов, нами был
ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА ВУЗАМ
216
Рис. 1. Начальный этап работы с программой. Атом метана
выбран графен, очень популярная и перспективная наноструктура [3]. Но само знакомство с графеном мы решили построить таким образом, чтобы оно сопровождалось усвоением определенных научных и технологических понятий и идей. Конечно, в условиях обычной школы или вуза нет возможности показать реальный образец графена и тем более продемонстрировать его свойства.
Естественный путь решения этой проблемы - компьютерное моделирование. Нами была создана компьютерная программа (простой молекулярный конструктор), которая позволяет не только моделировать атомную структуру графена, но и дает возможность подойти к пониманию этой совершенно новой структуры, последовательно строя хорошо известные молекулы определенных веществ. Конечно, для построения моделей молекулярных структур можно было воспользоваться известными программами, например, Chemical ОГАсе.Однако она стоит денег, и научить преподавателя и учащихся уверенно пользоваться сложной универсальной программой не так-то просто, в учебном процес-
се на это просто нет времени. А неуверенное пользование сложной программой будет, по нашему мнению, сильно отвлекать преподавателей от проведения ознакомительной и образовательной работы, а учащихся -от усвоения новых знаний. Поэтому мы сделали выбор в пользу создания простой компьютерной программы, «заточенной» на достижение конкретной образовательной цели.
Далее мы продемонстрируем основной вариант работы с предложенной программой (простым молекулярным конструктором), попутно обсуждая технические и образовательные возможности программы. На рис. 1 показана модель молекулы метана (СН4).
Атом углерода представлен черным кружком, атомы водорода - белыми кружками чуть меньшего размера. То, что видно только три атома водорода, несущественно для наших целей и объясняется ограниченными возможностями нашей программы1, на которые пришлось пойти ради простоты. Кстати, всегда можно дать комментарий о том, что четвертый атом водорода не виден, потому что «спрятан» за атомом углерода. Поскольку графен -углеродная структура, основным «строительным» элементом нашего конструктора является атом углерода, а атомы водорода нужны для того, чтобы разговор о валентностях был осмысленным. В нашем конструкторе атомы соединяются друг с другом чертой. Не всегда, как это будет потом видно, эти черточки соответствуют правильным значениям валентности, это тоже огра-
1 Моделирование ведется в плоскости.
Преподаватель XX
3 / 2010
ничение нашей программы, не влияющее, с нашей точки зрения, на достижение основной цели.
Следующий этап работы - построение молекулы бензола (С6Н6) представлен на рис. 2.
Для этого последовательно к первому атому углерода присоединяют с помощью специальной процедуры второй, третий и т.д. атомы, пока не замкнется кольцо. Конечно, реально получение молекулы бензола происходит совершенно по-другому. Поэтому здесь следует акцентировать внимание учащихся только на числе атомов углерода, необходимых для построения молекулы бензола, на плоскостной структуре молекулы бензола (все шесть атомов углерода и все шесть атомов водорода находятся в одной плоскости), что для наших целей очень важно, и на замкнутой (кольцевой) структуре молекулы бензола. При замыкании кольца в процессе построения молекулы бензола кроме черточек, соединяющих атомы, появится и кольцо, расположенное внутри молекулы бензола и олицетворяющее сопряженность связей между атомами углерода в молекуле бензола.
С этого момента можно уже сопоставлять свои действия с конечной це-
Рис. 2. Этапы построения молекулы бензола
Рис. 3. Построенные модели молекул нафталина, антрацена, фенантрена и коронена
лью - графеном, который, как известно, представляет собой плоское образование из множества бензольных колец. Но прежде чем собрать на нашем конструкторе структуру графена, имеет смысл задержать внимание учащихся на промежуточных структурах, таких как нафталин, антрацен, фенан-трен, коронен и т.п. (рис. 3.)
Построение моделей этих молекул производится последовательным присоединением атомов углерода в определенные места ранее построенной структуры. Здесь есть выбор путей присоединения очередного атома углерода для получения той или иной молекулярной структуры. В процесс построения перечисленных ранее молекул нужно сделать акцент на следующих важных обстоятельствах: все молекулы «сделаны» из атомов одного химического элемента - углерода (атомы водорода, «обрамляющие» эти молекулы по краям, не играют в данных рассуждениях существенной роли); более того, все молекулы «собраны» из разного количества бензольных колец, причем важно не только количество колец, но и как они присоединены друг к другу; у учащихся есть возможность выстраивать различ-
217
ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА ВУЗАМ
218
Рис. 4. Модель графе на
ные ряды молекулярных структур и следить при этом за симметрией и, можно так сказать, за красотой получаемых структур (например, ряд: бензол, нафталин, антрацен, тетра-цен и т.д.). Может быть не сразу, а при следующих обращениях к данной программе, можно проследить и за изменением физических и химических свойств веществ, обладающих данными молекулярными структурами (например, метан - газ, бензол - жидкость, нафталин - порошок). Чем больше у молекулы бензольных колец, тем труднее комментировать ее свойства, поэтому в какой-то момент построения надо сделать качественный скачок и перейти уже собственно к графену.
Сколько бензольных колец должна содержать получаемая таким образом структура, чтобы ее можно было назвать графеном? Здесь нет никаких договоренностей, ясно только, что много: может быть несколько десятков. Во всяком случае, структуры с таким числом бензольных колец специально получают и исследуют, называя их полосками графена. И в нашем построении с помощью простого молекулярного
конструктора надо где-то остановиться и назвать полученную структуру графеном (рис. 4).
Теперь пришла пора поговорить о свойствах графена. Прежде всего, отметим еще раз, что это плоская структура толщиной в один атом (!), при этом площадь такой структуры может быть очень большой. Программа позволяет покрутить построенный фрагмент графена и рассмотреть его структурные особенности2. Отметим необычайную прочность графена, что является следствием его совершенной (бездефектной) атомной структуры. Графен хорошо проводит тепло и электричество, при этом опять заметим, что это происходит вдоль его плоскости, структура двумерна, что, согласитесь, очень необычно. Хорошая электропроводность получается, в частности, из-за сопряженной структуры химических связей в составляющих графен бензольных кольцах. Полоска графена, помещенная на специальную подложку, демонстрирует уже полупроводниковые свойства, транзисторы на графене уже построены и имеют неплохие характеристики. Графен созвучен графиту и действительно - он его родственник. По сути, графит этографен, плоскости (их много) которого сложены одна на другую так, что получается уже трехмерная структура. Предложенная программа позволяет мультиплицировать ранее построенную графеновую плоскость и получить графитовую структуру. Структура графита изучается в школе, его можно подержать в руках (грифель
2 Кстати, прокрутить можно и любую прежде построенную молекулу, которая также имеет плоскую структуру. Неудобством программы является, однако, то, что после «прокруток», дальнейшее построение невозможно, и надо начинать все с начала.
Преподаватель
3 / 2010
ф
карандаша). Обычно заостряют внимание на анизотропии свойств гра-фена, что является прямым следствием особенностей его структуры. Школьники знают, что грифель «пишет» потому, что прочность графита неодинакова по разным направлениям, и в определенном направлении легко сдвинуть несколько слоев графита простым нажатием карандаша. Но слои графита - это несколько слоев графена. Так «встречаются» старый, хорошо известный, и новейший, очень перспективный, материалы.
Предложенная простая компьютерная программа позволяет в ходе творческого молекулярного (модельного) конструирования, опираясь на известные и довольно простые химические структуры, прийти к пониманию структуры новейшего наномате-риала - графена. Попутно имеется возможность обсудить свойства получаемых структур, соотнести структуру графена со структурой графита и, пусть в идеализированной форме, приобщиться к пониманию основного принципа нанотехнологий: построение необходимых молекулярных структур не путем химических реакций, не путем механического измельчения, а путем построения заданной структуры, присоединяя последовательно атом за атомом в нужные места структуры.
С данной программой весьма успешно и заинтересованно работали школьники, с ее помощью проведено несколько лекций в курсе «Введение в нанотехнологии». Мы полагаем, что образовательная эффективность данной программы весьма удовлетворительная.
Авторы благодарят М. А. Рыбкина за помощь при создании программы.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гребёнкин М. Ф, Лобова Л. П. Нанотехнологии и школьное образование // Прикладная информатика. - 2008. -№ 2.
2. Лобова Л. П. Нанотехнологии и школьное образование // Физика в школе. - 2009. - № 3.
3. Смирнов Е. А. И вновь о графене и на-нотрубках [Электронный ресурс] / / Публикации нанотехнологического сообщества «Нанометр»: [web-сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»]. - Режим доступа: http:// www.nanometer.ru/2009/05/02/ grafen_155067.html (дата обращения: 25.11.2009). ■
219
