Начальные сведения о нанотехнологиях в разделах «Электростатика» и «Магнетизм» курса общей физики технологического университета

Садыкова А. Ю.; Старостина Т. Ю.

ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ И НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

УДК 620.5:53(075.8)

А. Ю. Садыкова, Т. Ю. Старостина

НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОТЕХНОЛОГИЯХ В РАЗДЕЛАХ «ЭЛЕКТРОСТАТИКА» И «МАГНЕТИЗМ» КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Ключевые слова: нанотехнологии, качество обучения.

В статье рассматриваются аспекты включения в разделы «Электростатика» и «Магнетизм» курса общей физики сведений о нанотехнологиях и наноматериалах.

Keywords: nanotechnologies, quality of education.

The article is devoted to the aspects of the including of the information about nanotechnologies and nonmaterial’s in the framework of the parts of the general physics “Electrostatics” and “Magnetism ”.

Ранее нами был разработан перечень примеров применения нанотехнологий, который был использован при обучении студентов разделам «механика» и «молекулярная физика» в рамках учебного курса общей физики в НИУ «Казанский государственный технологический университет» [1].

В данной статье рассмотриваются примеры применения нанотехнологий, разработанных на основании тех тем, которые изучаются в разделах «электричество» и «магнетизм» курса общей физики.

При изучении проводимости диэлектриков, полупроводников и проводников в рамках раздела курса общей физики формируются начальные знания о моделях и законах микромира. Использование физических моделей, составляющих основу зонной теории проводимости, позволяет показать студентам, каким образом можно с единых позиций объяснить классификацию материалов на основании различия их способности к пропусканию электрического тока.

Уменьшение размеров устройств стало естественным процессом современной электроники. При этом экономические затраты возрастают, их снижение - это, по существу, задача, которую способны решить нанотехнологии в рамках развития электроники.

В рамках данной темы прекрасным примером, демонстрирующим возможности наноматериалов, является широкая область применения графена - монослоя атомов углерода. Графен был получен в 2004 году и еще мало изучен. За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и нашему бывшему соотечественнику К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год [2]. Если будет решен вопрос формирования «запрещенной зоны» графена, то он заменит кремний в интегральных микросхемах. Графен можно также использовать для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт-ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30-40 Вт-ч/кг). В печати появились сведения о создании нового типа светодиодов на основе графена, при этом отмечалась низкая цена по утилизации.

Пример с графеном, характеризующимся монослоем, можно дополнить вторым примером, который является не менее эффектным. Это принц - технологии, или процесс формирования трёхмерных микро- и наноструктур, основанный на отделении напряжённых

полупроводниковых плёнок от подложки с последующим сворачиванием их в пространственный объект. Технология названа в честь учёного из Института физики полупроводников СО РАН В.Я. Принца, предложившего этот метод еще в 1995 году [3,4].

При изучении электромагнитных колебаний, создаваемых в электрических цепях, в качестве примера, можно рассмотреть альтернативные способы получения сигналов. Здесь уместно рассказать об антенне-осцилляторе размерами порядка 1 мкм, созданной в 2005 году в лаборатории Бостонского университета. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с её помощью огромные объёмы информации [5].

В рамках данной темы, как правило, рассматривается и явление резонанса, в связи с этим, наряду с примерами открытия в Казани электронного парамагнитного резонанса и рассказе о современной казанской школе физики, и в особенности, о резонансной спектроскопии, уместно рассказать и плазмонах. Плазмоны- это коллективные колебания свободных электронов в металле. В начале 2000-го года был дан толчок к развитию новой области наноплазмонике, основанной на технологии изготовления частиц наноразмеров. В результате оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний[6,7].

При завершении рассмотрения раздела «магнетизм» можно рассказать о современном научном глобальном проекте Spinhenge@home. Это - проект добровольных вычислений на платформе BOINC. Целью проекта является целенаправленный синтез специально спроектированных магнитных молекул (например, MO72Fe30 и МО72СГ30) на основании квантово-механического моделирования с использованием метода Монте-Карло (алгоритм Метрополиса), результаты которого можно непосредственно сравнивать с экспериментом. При этом запланировано расширение данных о молекулярном магнетизме и поиске возможностей использования в прикладных областях. Начало вычислений датируется 2006 годом, и инициированы они Университетом прикладных наук в Билефельде, департаментом электротехники и информатики, в сотрудничестве с Министерством энергетики США и Лабораторий Эймса Университета Айовы, а в 2010 году в них приняли участие 56000 добровольцев (141000 компьютеров) из 183 стран, обеспечивая вычислительную мощность в 5.8 терафлопс. Перспективной областью практического применения этого проекта является создание высокоинтегрированных модулей памяти и миниатюрных магнитных выключателей. Прогнозируется и актуальнейшая область применения - локальная химиотерапия опухолей[5].

Приведенные примеры по нанотехнологиям и наноматериалам актуализируют базовые знания, формируемые в рамках общеобразовательного курса общей физики, с одной стороны, с другой стороны, показывают студенту необходимость интегрируемых подходов, которые возможны только в случае, если у специалиста сформировано модельное мышление и есть прочные знания по базовым предметам высшей школы.

Литература

1. Куприянычева, Н.И. Психологический аспект творческой деятельности студентов в техническом вузе / Н.И. Куприянычева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - №1. С.303-309.

2. Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005)

D0I:10.1073/pnas.0502848102

3. Prinz V. Ya. et. al. Nanoscale engineering using controllable formation of ultra-thin cracks in heterostructures Microelectronic Engineering 30, 439 (1996) D0I:10.1016/0167-9317(95)00282-0

4. Prinz V. Ya. et al., Free-standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelices and their arrays Physica E 6, 828 (2000) D0I:10.1016/S1386-9477(99)00249-0.

5. Википедия (http://www.wikipedia.org/wiki)

6. http://www.qub.ac.uk/mp/con/plasmon/sp1.html

7. http://home.hccnet.nl/ja.marquart/BasicSPR/BasicSpr01.htm

Аннотация научной статьи по прочим социальным наукам, автор научной работы — Садыкова А. Ю., Старостина Т. Ю.

Похожие темы научных работ по прочим социальным наукам , автор научной работы — Садыкова А. Ю., Старостина Т. Ю.

Текст научной работы на тему «Начальные сведения о нанотехнологиях в разделах «Электростатика» и «Магнетизм» курса общей физики технологического университета»