Начальные сведения о нанотехнологиях в разделах «Механика» и «Молекулярная физика» курса общей физики технологического университета Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 620.5:53(075.8)

А. Ю. Садыкова, Н. А. Кузина НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОТЕХНОЛОГИЯХ В РАЗДЕЛАХ «МЕХАНИКА» И «МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА» КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Ключевые слова: нанотехнологии, качество обучения.

В статье рассматриваются аспекты включения в разделы «Механика» и «Молекулярная физика» курса общей физики сведений о нанотехнологиях.

Keywords: nanotechnologies, quality of education.

The article is devoted to the aspects of the including of the information about nanotechnologies in the framework of the parts of the general physics “Mechanics” and “Molecular physics”.

Переход к информационному обществу определяет новые требования к подготовке специалистов технического профиля. Принципиальное отличие в системе подготовки кадров в рамках высшей школы в нашей стране заключалось в том, что высшее техническое образование формировало модельное мышление на протяжении всего периода обучения.

Сегодня модельное мышление - это не прерогатива выпускников факультетов технического или естественно-научного профиля университетов или вузов, это требование, предъявляемое временем к любому специалисту высшей квалификации.

Переход российской системы высшего образования к модели «болонского процесса» будет неминуемо ужесточать требования к изучению общеобразовательных дисциплин технических вузов с использованием моделей процессов, происходящих в обществе, в устройствах, в производственных циклах и привязки их к современным технологиям.

Популярные ныне термины «нанотехнологии», IT -технологии, генные модификации и.т.д. проникают из сферы чисто научных сведений в повседневную жизнь. Наука словно утрачивает свое «элитное» назначение, превращаясь в инструмент повседневности, трансформируя содержание, структуру и формы учебного процесса.

Сокращение учебных часов, приходящихся на аудиторные занятия по курсу общей физики в рамках высшего технологического образования в связи с переходом на болонскую систему, слабая довузовская подготовка по физике, наблюдаемая у подавляющего большинства студентов начальных курсов обучения, независимо от формы обучения очной, очно-заочной или заочной, заставляет искать новые формы и способы донесения ключевых знаний по предмету. По существу приходится решать несколько проблем: ликвидировать пробелы или отсутствие начальных знаний по физике (у тех, кто физику не изучал на уровне среднего образования), ускоренными темпами закладывать основу формирования модельного мышления и показывать логическую связь между дисциплинами, изучаемыми студентами на протяжении обучения в вузе [1].

Включение в изучаемый материал, конкретных примеров, связанных с нанотехнологиями позволяет решать ряд задач. Во-первых, для студентов популярное ныне слово «нанотехнологии» наполняется конкретным содержанием, таким образом формируется техническая культура в использовании терминологии. Во-вторых, конкретные модели, являющиеся фундаментальными в курсе общей физики, иллюстрирующими физический смысл рассматриваемых физических явлений, приобретают повышенную значимость, поскольку показывают связь знаний, полученных в рамках изучаемой дисциплины с требованием времени. В-третьих, решается и задача, стоящая перед вузами, которые вовлечены в развитие приоритетных научных направлений, определенных государственными

программами для технических вузов, так как улучшается целевая подготовка кадров для актуальных направлений производства.

На первой, по существу вводной, лекции, посвященной началу изучения курса общей физики, при объяснении значимости законов «Механики», можно показать, как простейшие законы классической механики, применяемые к отдельным объектам макромира, окружающего нас, важны и для микромира, меняющего функциональное назначение многих предметов, которые используются как в повседневной жизни, так и в производственных целях.

В последующих лекциях, например, при изучении энергии, следует рассказать о наномоторе -молекулярном устройстве, способном преобразовывать энергию в движение [2,3]. При этом внимание студентов фиксируется, не только на новом устройстве микромира, но и на единицах измерения сил молекулярных моторов белков, измеряемых в пиконьютонах. Пример двигательных белков, перемещающих «груз», в виде различных молекул по каналам микротрубочек внутри клеток, позволяет акцентировать внимание на том, что знания о механизмах передвижения изучаются в рамках различных технических дисциплин, и приобретают новую степень актуальности в связи с внедрением новых технологий.

При изучении раздела «механики», связанного с вращательным движением крайне важно рассказать о молекулярных роторах, представляющих из себя синтетические наноразмерные двигатели, которые генерируют крутящий момент при приложении к ним достаточного количества энергии [4,5].

Не меньший интерес вызывает рассказ о молекулярных пропеллерах -наноразмерных молекулах, имеющих форму винта, которые способны совершать вращательные движения из-за своей особой пространственной формы, аналогичной форме макроскопического винта [6,7].

При изучении основных положений «молекулярной физики» возможности использования примеров, связанных с нанотехнологиями существенно расширяются:

Во-первых, при сравнительном изучении модели идеального и реального газа можно привести пример создания молекулярного манипулятора, в основе действия которого силы гравитационного взаимодействия, которые действуют в микромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут значительными. При этом можно заострить внимание на том, что именно российская школа теоретиков, работающая с ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями в микрообъектах является наиболее сильной в мире.

Во-вторых, при рассмотрении физических моделей, применимых для жидкостей, можно рассказать о нанофлюидике [8] - разделе гидродинамики наноструктурных жидкостей, когда проявляются такие нетипичные свойства, как, например, резкое увеличение или уменьшение вязкости возле стенок нанокапилляров, изменение термодинамических параметров жидкости, а также и то, что проявляется нетипичная химическая активность на границе раздела твердой и жидкой фаз.

В-третьих, при рассказе о важности изучения межмолекулярных взаимодействий можно упомянуть о такой новой науке, как супрамолекулярная (надмолекулярная) химия, включающая в себя химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем обычные молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий, образующих своеобразные блоки [9].

Вышеупомянутые темы могут быть предложены и студентам в качестве тем рефератов для самостоятельной работы с литературой в рамках практических занятий и семинаров. Отметим при этом, что основным источником информации при изучении практического использования нанотехнологий является безусловно интернет, и не только из известного и наиболее популярного интернет издания Википедия [10], а из зарубежных сайтов, что потребует знания у студентов и иностранного языка.

Совокупность изложенных фактов, несомненно свидетельствует о том, что достижения, полученные в результате применения и внедрения новых технологий, обогащают

традиционные знания, придавая им остроту новизны, повышая интерес к таком

общеобразовательному предмету, как физика в высшей школе, что несомненно сказывается на

повышении качества обучения.

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. Carlo Montemagno, Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices / Carlo Montemagno (и др.) // Nanotechnology 10 - 1999. - V.225-231.

3. Keith D. Bonin, Light torque nanocontrol, nanomotors and nanorockers / Keith D. Bonin and Bakhit Kourmanov // OPTICS EXPRESS 984 - No19 - 2002. - V.10.

4. Данилов, А. От форсунок до сенсоров / А. Данилов // (http://www.nanojournal.ru).

5. Kyle Lund, Molecular robots guided by prescriptive landscapes / Kyle Lund, Anthony J. Manzo, Nadine Dabby, Nicole Michelotti, Alexander Johnson-Buck, Jeanette Nangreave, Steven Taylor, Renjun Pei, Milan N. Stojanovic, Nils G. Walter, Erik Winfree, Hao Yan // NanoWeek, - 2010. - No. 108 - V.465.

6. Дж. Васек, Молекулярные «игрушечные» конструкции: Компьютерная симуляция молекулярных пропеллеров / Дж. Васек и Дж. Митчелл // - №21 - 1997. - С. 1259.

7. Симпсон, С.Д. Наноразмерные молекулярные пропеллеры в циклогидрогенизации полифениленовых дендример / С.Д. Симпсон, Гр. Маттерстейг, К. Мартин, Л. Герхель, Р.Е. Байер, Х. Дж. Рейдер и К. Мюллен // №126 - 2004. - С.3139.

8. Herold, K.E.,) Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis / K.E. Herold, A. Rasooly // Caister Academic Press - 2009. - ISBN 978-1-904455-47-9 - V.2.

9. Пожарский, А.Ф. Самоорганизующиеся молекулы / А.Ф. Пожарский // Супрамолекулярная химия Ч. 2. Соросовский образов. журн. Т.9 - 1997. - С. 40-47.

10.Википедия (www.wikipedia.org).

© А. Ю. Садыкова - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. физики КГТУ, tjsakura@mail.ru, Н. А. Кузина -асс. каф. физики КГТУ, kunata19B0@mail.ru.

24В