НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА «ОСНОВИ НАНОТЕХНОЛОГІЙ»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
Нанотехнології-(англ. nanotechnologies,)— міждисциплінарна область фундаментальної і прикладної науки, в якій вивчаються закономірності фізичних і хімічних систем протяжністю порядку декількох нанометрів або часток нанометра (нанометр— це одна мільярдна частка метра або, що те ж саме, одна мільйонна частка міліметра- діаметр людської волосини становить близько 80 тис. нанометрів). Вужче значення цього терміну прив'язує нанотехнології до розробки матеріалів, приладів та інших механічних і немеханічних пристроїв, в яких застосовуються подібні закономірності. Нанотехнології мають справу з процесами, які протікають в просторових областях нанометрових розмірів. Тобто нанотехнології можна означити як технології, основані на маніпуляції окремими атомами і молекулами для побудови структур із наперед заданими властивостями.
Навчальна програма «Основи нанотехнології» спрямована на еколого натуралістичний напрям позашкільної освіти та реалізується в гуртках, творчих об’єднаннях позашкільних навчальних закладів. Програма розрахована на учнів 8—11 класів загальноосвітніх шкіл, гімназій, коледжів, ліцеїв. Кількісний склад вихованців — 10—12 осіб.
Навчальна програма складена з урахуванням змісту освітніх галузей «Природознавство», «Математика», «Технології», «Здоров’я і фізична культура» Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти.
Мета програми — створення умов для творчої самореалізації і професійного самовизначення вихованців у процесі засвоєння базових знань з нанотехнологій і проведення дослідницької роботи.
Програма висвітлює основні питання нанотехнологій.
Основні завдання гуртка
• розширення уявлень школярів про фізичну картину світу на прикладі знайомства з властивостями нанооб'єктів;
• реалізація міжпредметних зв'язків, тому що для розвитку нанотехнологій потрібні знання фізики, біології, хімії та інших наук;
• отримання знань про історію виникнення нанотехнологій, про методики, що використовуються при створенні нанооб'єктів, про унікальні властивості наноматеріалів, про їх застосування і перспективи розвитку цієї галузі науки.
Залежно від змісту програми педагог може застосовувати різні методи занять (візуальні, аудіальні, кінестетичні і полімодальні) та форми організації занять (навчальні, виїзні, лабораторні, дослідницькі).
З метою ефективного засвоєння теоретичного матеріалу програма передбачає значний обсяг практичних занять, проведення дослідницької роботи. Робота в гуртку дасть змогу набути практичних умінь і навичок у галузі нанотехнології.
Досліди, що виконуються вихованцями, повинні мати навчально-виховну, наукову та виробничу спрямованість.
Результати дослідницької роботи гуртківці оформляють у вигляді щодеників та наочних посібників (таблиць, схем тощо), які в подальшому можна використовувати на заняттях гуртка і уроках біології,хімії,фізики та ін..
Плануючи роботу гуртка, керівник повинен передбачити екскурсії до
науково-дослідних закладів, зустрічі з вченими, огляд наукової та науково- популярної літератури, написання рефератів, демонстрацію діафільмів і науково-популярних відеофільмів.
Формами контролю за результативністю навчання є підсумкові заняття, опитування, захист творчої роботи, участь у конкурсах, конференціях, зльотах та зборах, виставках, змаганнях, захист навчального проекту або формування портфоліо.
Підсумком реалізації програми є захист вихованцями власних науково- дослідних робіт на науково-практичній конференції.
Основний рівень, перший рік навчання
НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
№ З/п |
Назва розділу |
КІЛЬКІСТЬ годин |
||
теоретичних |
практичних |
усього |
||
1 |
Вступ |
3 |
3 |
6 |
2 |
Методи дослідження нанооб׳єктів
|
10 |
8 |
18 |
3 |
Методи одержання наноматеріалів |
13 |
10 |
23 |
4 |
Наноматеріали |
12 |
10 |
22 |
|
Фізичні та хімічні властивості нанооб'єктів |
10 |
10 |
20 |
|
Наноелектроніка |
6 |
6 |
12 |
|
Наномедицина і біотехнологія |
10 |
10 |
20 |
|
Нанотехнології навколо нас |
7 |
10 |
17 |
|
Підсумкова конференція |
3 |
3 |
6 |
|
74 |
70 |
144 |
Вступ(6 год)
Положення нанооб'єктів на шкалі розмірів. Річард Фейнман - пророк нанотехнологічної революції. Нанотехнології навколо нас. Нанотехнології - галузь знань, де об'єднуються зусилля фізиків, хіміків, біологів, медиків, інженерів - електроніків, математиків і фахівців різних спеціальностей для чергового прориву на шляху людства до прогресу.
Тема 1 .Методи дослідження нанооб׳єктів (18 годин)
Оптична мікроскопія для дослідження нанооб׳єктів. Рентгенівська мікроскопія. Растрова електронна мікроскопія. Просвічуюча електронна мікроскопія. Йонні мікроскопи. Лазерний пінцет - інструмент для пересування нанооб'єктів.
Семінар №1 Види оптичної мікроскопії для дослідження нанооб׳єктів
Семінар №2 Скануюча електронна мікроскопія.
Семінар №3 .Рентгенівська мікроскопія. Растрова мікроскопія.
Семінар №4 .Йонні мікроскопи.
Практична робота №1. Скануюча електронна мікроскопія.
Екскурсія до наукової установи( Інститут імені О.О. Богомольця НАНУ)
Тема 2. Методи одержання наноматеріалів(26 год)
Основні принципи формування наносистем. Фізичні та хімічні методи. Процеси отримання нанооб'єктів "зверху - вниз". Процеси отримання нанооб'єктів "знизу - вгору". Процеси зародкоутворення в газових і конденсованих середовищах. Синтез нанооб'єктів в аморфних (склоподібних) матрицях. Методи хімічної гомогенізації (співосадження, золь-гель метод, кріохімічна технологія, піроліз аерозолів, сольвотермальна обробка, надкритична сушка). Класифікація наночастинок і нанооб'єктів. Прийоми отримання та стабілізації наночастинок. Агрегація і дезагрегація наночасток. Синтез наноматеріалів в один- і двовимірних нанореакторах.
Семінар №5. Методи хімічної гомогенізації
Екскурсія до наукової установи (Інститут хімії поверхні імені О.О. Чуйка НАНУ)
Практична робота № 2.Прийоми одержання та стабілізації наночастинок.
Практична робота №3. Синтез нанооб'єктів в аморфних (склоподібних) матрицях.
Практична робота №4. Методи хімічної гомогенізації. Золь-гель метод
Тема № 3. Наноматеріали ( 24 години)
Особлива роль вуглецю та кремнезему в наносвіті. Особливості поверхні кремнезему. Графен - шар графіту. Фулерени. Вуглецеві нанотрубки - трубки із графена. Нанопроволоки. Дендримери - капсули нанорозмірів. Самоорганізація нанооб'єктів та її використання при створенні наноматеріалів. Моделювання наноструктур. Програми для хімічних розрахунків. Програми-візуалізатори
Семінар №6. Особливості поверхні кремнезему.
Семінар № 7. Програми для хімічних розрахунків
Семінар №8. Тривимірна візуалізація молекул. Програми для тривимірної візуалізації молекул
Семінар №9. Моделювання наноструктур.
Практична робота №5. Програми HyperChem Professional та Marvin_Beans
Практична робота №6 Робота з програмами для хімічних розрахунків
Практична робота №7 Робота з програмами для хімічних розрахунків
Практична робота № 8. Робота з програмами-візуалізаторами
Екскурсія до наукової установи
Тема 4. Фізичні та хімічні властивості нанооб'єктів (20 годин)
Велике відношення поверхні до об'єму - основна властивість нанооб'єктів. "Ефект лотоса". Відсутність дислокацій - причина колосальної міцності нанопроволок і нанотрубок. Квантові явища в наносвіті. Квантові точки - штучні атоми наносвіту. Залежність кольору в наносвіті від розміру об'єктів.
Семінар № 10. Основні властивості нанооб'єктів
Семінар № 11. Квантові точки
Семінар № 12. Залежність кольору в наносвіті від розміру нанооб׳єктів
Практична робота № 9 Залежність кольору в наносвіті від розміру нанооб׳єктів
Тема 5. Наноелектроніка (12 годин)
Польовий транзистор - основний елемент цифрових електронних схем. Історія створення і сучасне використання. Фотолітографія або як народжується мікросхема. Закон Мура - подвоєння щільності транзисторів у мікросхемах кожні два роки. Вуглецеві нанотрубки - майбутні елементи нанотранзисторов. Наносенсори.
Семінар №13. Польовий транзистор-основний елемент цифрових електронних схем.
Семінар № 14. Фітолітографія
Семінар № 15. Вуглецеві нанотрубки
Семінар № 16, 17. Наносенсори
Практична робота № 10. Добування та властивості нанотрубок
Тема 6. Наномедицина і біотехнологія (20 годин)
Генна інженерія. Використання ДНК для синтезу ліків. Трансгенні тварини і рослини. Генномодифіковані продукти: за і проти. Нанотехнології проти вірусів і бактерій. Доставка ліків, упакованих в нанокапсули, хворим клітинам. Вимоги до носіїв лікарських засобів. Іммобілізація ліків та біокаталізаторів на поверхні кремнезему. Нанотехнології в боротьбі з раковими захворюваннями. Нанотехнології в діагностиці. Можливі ризики використання наноматеріалів.
Семінар №18. Доставка лікарських засобів,упакованих у нанокапсули,до хворих клітин.
Семінар № 19 .Можливі ризики використання нанотехнологій.
Практична робота №11. Іммобілізація лікарських засобів на поверхні кремнезему
Практична робота №12. Іммобілізація лікарських засобів на поверхні кремнезему
Практична робота № 13. Іммобілізація біокаталізаторів на поверхні кремнезему
Практична робота № 14. Іммобілізація біокаталізаторів на поверхні кремнезему
Тема 7 . Нанотехнології навколо нас ( 16 год)
Приклади товарів, створених з використанням нанотехнологій і причини їх унікальних властивостей. Створені на основі наночасток оксиду титану і срібла поверхні, що мають бактерицидні властивості. Нанокомпозитні матеріали. Нанотехнології в різних областях виробництва. Нанотехнології в будівництві. Нанотехнології в енергетиці та екології. Нанотехнології в криміналістиці та косметиці. Нанотехнології в геронтології.Нанотехнології в сільському господарстві. Нанотехнології в військовій техніці. Нанотехнології в кібернетиці. Нанотехнології в освоєнні космосу. Нанотехнології в побуті. Динаміка розвитку нанотехнологій у світі. Перспективи світової наноекономіки.
Семінар 20 Нанотехнології в різних областях виробництва
Семінар 21 Динаміка розвитку нанотехнологій у світі. Перспективи світової наноекономіки.
Підсумкова конференція (6 год)
Основний рівень, другий рік навчання
НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН
№ З/п |
Назва розділу |
КІЛЬКІСТЬ годин |
||
теоретичних |
практичних |
усього |
||
1 |
Вступ |
3 |
3 |
6 |
2 |
Біомакромолекули як складові наносвіту |
6 |
12 |
18 |
3 |
Нанобіотехнології на основі структури та властивостей молекул ДНК |
8 |
12 |
20 |
4 |
Нанобіотехнології на основі структури та властивостей молекул ДНК |
4 |
6 |
10 |
5 |
Нанобіотехнології надмолекулярного (субклітинного) рівня організації живих систем |
8 |
6 |
14 |
6 |
Мікротрубочки та мікрофіламенти клітин в нанобіоструктурах та нанотехнологіях |
5 |
4 |
9 |
7 |
Прокаріотичні і неклітинні форми життя в нанобіоструктурах та нанотехнологіях |
6 |
8 |
14 |
8 |
Біореактори і біокаталізатори в нанотехнологіях |
10 |
12 |
22 |
9 |
Проблема безпеки наноматеріалів і нанотехнологій |
8 |
4 |
12 |
10 |
Використання нанобіотехнологій в медицині |
5 |
8 |
13 |
|
Підсумкова конференція |
3 |
3 |
6 |
|
66 |
78 |
144 |
Вступ(6 год)
Нанобіотехнології - новий етап розвитку біології. Багаторівневість організації живих систем. Визначення понять «наноструктури», «наноявища», «нанопроцеси» і нанотехнології» .Молекулярний і субклітинний рівні наносвіту. Мікроскопія- сукупність методів вивчення наносвіту.
Тема 1 .Біомакромолекули як складові наносвіту (18 годин)
Біомакромолекули (біополімери): нуклеїнові кислоти,білки та полісахариди. ДНК як носій генетичної інформації в клітині. Особливості структури РНК. Структурна організація та функції білків. Самоорганізація та модифікація білків. Олігомеризація та агрегація білків. Утворення білкових нанокомплексів. Конструювання наноструктур на основі білків. Транспортні білки. Білки-рецептори. Дослідження рецепторної функції мембрани і розробка нових нанобіотехнологій. Нанобіосенсори, їх використання в діагностиці та лікуванні захворювань. Білкові «наномотори» в живих клітинах.
Семінар № 1. Нанобіосенсори, їх використання в діагностиці та лікуванні захворювань.
Семінар № 2. Білкові «наномотори» в живих клітинах.
Тема 2. Нанобіотехнології на основі структури та властивостей молекул ДНК
Властивості ДНК, що використовуються в нанотехнологіях. Аутореплікація ДНК. Гібридизація нуклеїнових кислот, її практичне використання. Ампліфікація молекул нуклеїнових кислот, її практичне використання. Основні підходи до створення наноконструкцій на основі нуклеїнових кислот. Наноконструкції на основі ДНК та білків. Штучні наноматеріали на основі ДНК. Біочипи, їх використання в дослідженнях структури ДНК.
Семінар № 3. Основні підходи до створення наноконструкцій на основі нуклеїнових кислот.
Семінар № 4. Наноконструкції на основі ДНК та білків. Штучні наноматеріали на основі ДНК.
Семінар № 5. Біочипи, їх використання в дослідженнях структури ДНК.
Практична робота № 3.Виділення ДНК/РНК
Практична робота № 4. Ампфлікація ДНК
Екскурсія до наукової установи (Інститут фізіології імені О.О.Богомольця НАНУ).
Тема 3. Нанобіотехнології на основі методу генної інженерії
Генна інженерія як один із напрямків нанобіотехнологій. Способи отримання генів для введення їх в інший організм. Технології переносу генів в клітину. Способи введення ДНК в клітину організма-хазяїна. Генетична інженерія бактеріофагів у створенні гібридних матеріалів. Генна інженерія і генний таргетинг.
Семінар № 6. Генна інженерія як один із напрямків нанобіотехнологій
Семінар № 7. Генетична інженерія бактеріофагів у створенні гібридних матеріалів.
Тема 4. Нанобіотехнології надмолекулярного (субклітинного) рівня організації живих систем
Структурная організація клітинної мембрани. Типи мембранних білків. Функції клітинної мембрани. Поняття елементарної біологічної мембрани. Конструювання наноструктур на основі біологічних мембран. Біологічні мембрани в нанотехнологіях. Моделі біологічних мембран,їх використання у якості біофільтрів. Нанобіотехнології на основі тилакоїдних мембран хлоропластів. Мембранні нанокомпозитні матеріали, «вражені» вірусами.
Семінар № 8. Біологічні мембрани в нанотехнологіях.
Семінар № 9. Нанокомпозитні матеріали.
Екскурсія до наукової установи (Інститут хімії поверхні імені О.О. Чуйка НАНУ).
Тема 5. Мікротрубочки та мікрофіламенти клітин в нанобіоструктурах та нанотехнологіях
Цитоскелет клітини як система нановолокон. Мікрофіламенти :будова і роль в клітині. Проміжні філаменти. Мікротрубочки: склад, структура, біологічна роль. Гіппотеза С.Хамероффа і перспектива створення нанокомп׳ютерів. «Рейки» для крокуючих наноприладів. Використання принципів функціонування війок та джгутиків в нанотехнологіях.
Семінар № 10. Використання принципів функціонування війок та джгутиків в нанотехнологіях.
Семінар № 11. Нанокомп׳ютери
Тема 6. Прокаріотичні і неклітинні форми життя в нанобіоструктурах та нанотехнологіях
Загальна характеристика прокаріотичних організмів. Використання бактерій в нанотехнологіях. Наноконструкції на основі прокаріот. Нанобактерії.
Особливості будови і функціонування вірусів як представників неклітинної форми життя. Наноконструкції і нанотехнології на основі вірусів.
Семінар № 12. Використання бактерій в нанотехнологіях. Нанобактерії
Семінар № 13. Особливості будови і функціонування вірусів як представників неклітинної форми життя.
Семінар № 14. Наноконструкції і нанотехнології на основі вірусів.
Практична робота № 5.Віруси-неклітинні форми життя
Тема 7. Біореактори і біокаталізатори в нанотехнологіях
Ферменти(біологічні каталізатори) як природні нанооб׳єкти. Використання ферментів. Мікроорганізми як продуценти ферментів. Біореактори у виробництві біопалива. Отримання наночастинок в природніх біореакторах. Бактерії-біореактори керують процесами життєдіяльності і здоров׳ям людини.
Семінар № 15. Ферменти (біологічні каталізатори) як природні нанооб׳єкти.
Семінар № 16. Використання ферментів.
Семінар № 17. Мікроорганізми як продуценти ферментів.
Практична робота № 6. Виділення ферментів та вивчення їх властивостей
Практична робота № 7. Іммобілізація ферментів на неорганічних та органічних носіях.
Практична робота № 8. Мікроорганізми як продуценти ферментів.
Практична робота № 9. Іммобілізація клітин мікроорганізмів на неорганічних та органічних носіях.
Тема 8. Проблема безпеки наноматеріалів і нанотехнологій
Особливості впливу наночастинок на живі організми. Джерела і основні шляхи потрапляння наночастинок в організм людини. Механізми дії наночастинок на живий організм. Національні та міжнародні проекти в області безпеки наноматеріалів та нанотехнологій.
Семінар № 18. Механізмі дії наночастинок на живий організм.
Семінар № 19. Національні та міжнародні проекти в області безпеки наноматеріалів та нанотехнологій.
Тема 9. Використання нанобіотехнологій в медицині
Нанобіотехнології і наномедицина. Перші досягнення в направленому транспорті лікарських засобів. Нанобіотехнології в діагностиці вірусних інфекцій. Нанобіотехнології в отриманні і використанні штучних антитіл. Медичні імплантати на основі нанотехнологій.
Семінар № 20. Нанобіотехнології і наномедицина
Семінар № 21. Медичні імплантати на основі нанотехнологій.
Практична робота № 9. Іммобілізація лікарських засобів на неорганічних та органічних носіях.
Практична робота № 10. Іммобілізація лікарських засобів на неорганічних та органічних носіях.
Підсумкова конференція (6 год)
Вихованці мають знати:
Вихованці мають вміти:
Учні мають засвоїти такі поняття і терміни (див.глосарій)
Глосарій
Література