Приложение к основной образовательной программе
среднего общего образования

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 21
«Согласовано»
зам. директора

С.А. Иванов
28.08.2023 г.

Рабочая программа учебного курса

«Введение в нанотехнологии»
среднего общего образования
(для 10 классов)

Екатеринбург - 2023

Пояснительная записка
Сфера нанотехнологий считается во всем мире ключевой темой для
технологий XXI века. Возможности их разностороннего применения в таких
областях экономики, как производство полупроводников, медицина,
сенсорная техника, экология, автомобилестроение, строительные материалы,
биотехнологии, химия, авиация и космонавтика, машиностроение и
текстильная промышленность, несут в себе огромный потенциал роста.
Применение продукции нанотехнологий позволит сэкономить на сырье и
потреблении энергии, сократить выбросы в атмосферу и будет
способствовать тем самым устойчивому развитию экономики. С одной
стороны, нанотехнологии уже нашли сферы применения, с другой – они
остаются для большинства населения областью научной фантастики. В
будущем
значение
нанотехнологий
будет
только
расти.
В
специализированной области это будет пробуждать интерес, стимулировать
проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также
работ по нахождению новых областей применения нанотехнологий.
Необходимым условием развития данного процесса является усиленное
внедрение основ науки о нанотехнологиях в образовательные программы в
школах и вузах. Это поможет сократить сохраняющийся дефицит молодых
специалистов в этой области.
Цель курса:
- сформировать представление обучающихся о новой отрасли знаний –
нанотехнологиях.
Задачи курса:
- расширение представлений школьников о физической картине мира
на примере знакомства со свойствами нанообъектов;
- реализация межпредметных связей, т.к. для развития нанотехнологий
требуются знания физики, биологии, химии и других наук;
- приобретение знаний об истории возникновения нанотехнологий, о
методиках, используемых при создании нанообъектов, об уникальных
свойствах наноматериалов, об их применении и перспективах развития этой
отрасли науки;
- развитие способностей самостоятельно приобретать знания,
используя при этом ИКТ.
Курс предусматривает проведение исследовательской работы,
проведение презентаций, докладов.
Программа реализуется 1 час в неделю, т.е. 34 часа в учебный год.

Содержание обучения
Введение (2 часа)
Положение нанообъектов на шкале размеров. Ричард Фейнман –
пророк нанотехнологической революции. Почему освоение наномира может
быть так полезно для человечества? Эрик Дрекслер и его книга «Машины
созидания». Нанороботы. Нанотехнологии внутри и снаружи нас.
Нанотехнологии – область знаний, где объединяются усилия физиков,
химиков, биологов, врачей, инженеров – электроников, математиков и
специалистов самых разных специальностей для очередного прорыва на пути
человечества к прогрессу.
Инструменты и методы наномира (6 часов)
Пути создания нанообъектов: «снизу-вверх» или «сверху-вниз».
Можно ли увидеть молекулы в микроскоп? Сканирующий электронный
микроскоп. Как атомно-силовая микроскопия чувствует прикосновение
атомов. Что такое туннельный микроскоп. Лазерный пинцет – инструмент
для передвижения нанообъектов.
Наноматериалы (4 часа)
Особая роль углерода в наномире. Графен – слой графита. Фуллерены –
наношарики из углерода. Углеродные нанотрубки – трубки из графена.
Нанопроволоки. Дендримеры – капсулы наноразмеров. Самоорганизация
нанообъектов и её использование при создании наноматериалов.
Моделирование наноструктур.
Уникальные свойства наноструктур (5 часов)
В наномире изменяются механические, тепловые, электромагнитные и
оптические характеристики. Большая доля поверхностных атомов, изменение
энергетического спек-тра электронов у наноструктур определяет их низкую
температуру
плавления,
высокий
предел
прочности,
малое
электросопротивление и другие уникальные свойствананопроволок и
нанотрубок. Почему температура плавления металлических нанообъектов
уменьшается на сотни градусов. Квантовые явления в наномире. Почему
электрическое сопротивление нанотрубки не зависит от её длины. Квантовые
точки – искусственные атомы наномира. Зависимость цвета в наномире от
размера объектов.
Квантовая физика и наноструктуры (6 часов)
Электромагнитные волны. Квантовые свойства излучения и волновые
свойства ча-стиц. Квантовые представления об атоме. Энергетические зоны
кристаллов. Ямы, ба-рьеры, туннели, ящики и нити - квантовые явления и
структуры. Генная инженерия. Использование ДНК для синтеза лекарств.
Трансгенные животные и растения. Генномодифицированные продукты: за и
против. Нанотехнологии против вирусов и бактерий. Адресная доставка
лекарств, упакованных в нанокапсулы, больным клеткам. Нанотехнологии в
борьбе с раковыми заболеваниями. Нанотехнологии в диагностике.
Возможные риски использования наноматериалов.

Наноэлектроника (5 часов)
Полевой транзистор – основной элемент цифровых электронных схем.
История создания и современное воплощение. Фотолитография или как
рождается микросхема. Закон Мура – удвоение плотности транзисторов в
микросхемах каждые два года. Современный транзистор – это уже
нанотранзистор. Основная болезнь нанотранзистора – высокая температура.
Углеродные нанотрубки – будущие элементы нанотранзисторов.
Наносенсоры – глаза для наноэлектроники. Наномоторы – мышцы
нанороботов.
Нанотехнологии вокруг нас (4 часа)
Примеры товаров, созданных с использованием нанотехнологий и
причины их уникальных свойств. Несмачиваемые и всегда чистые ветровые
стёкла, диски колёс и т.п. Созданные на основе наночастиц оксида титана и
серебра
поверхности,
обладающие
бактерицидными
свойствами.
Нанокомпозитные материалы. Нанотехнологии в различных областях
производства. Нанотехнологии в энергетике и экологии. Нанотехнологии в
криминалистике и косметике. Динамика развития нанотехнологий в России и
за рубежом. Перспективы мировой наноэкономики.
Защита проектов (2 часа)
Планируемые результаты освоения курса
В области учебных компетенций:
Уметь:

организовывать процесс изучения и выбирать собственную
траекторию образования;

решать учебные и самообразовательные проблемы;

связывать воедино и использовать отдельные части знаний.
В области исследовательских компетенций:
Уметь:

получать и использовать информацию;

обращаться к различным источникам данных и их использование;
Знать:

современные нанотехнологии, их роль в экономике, перспективы
развития;

способы поиска и систематизации информации в различных видах
источника.
В области социально-личностных компетенций:
Уметь:

видеть связи между настоящими и прошлыми событиями.
В области коммуникативных компетенций:
Уметь:

выслушивать и принимать во внимание взгляды других людей;

выступать на публике;

читать графики, диаграммы и таблицы данных;
В области информационных компетенций:
Уметь:самостоятельно искать, анализировать и отбирать необходимую
информацию, организовывать, преобразовывать, сохранять и передавать ее.
Отсроченный результат введения курса:

осознанный выбор профессии;

участие в научно-практических конференциях;

личностный рост учеников.


Тематическое планирование
№в
теме

№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

1
2
1
2
3
4
5
6

1
2
3
4
1
2
3

16
17
18

4
5

Тема
Введение.
Почему освоение наномира может быть так
полезно для человечества?
Нанотехнологии внутри и снаружи нас.
Инструменты и методы наномира.
Пути создания нанообъектов: «снизу-вверх»
или «сверху-вниз».
Можно ли увидеть молекулы в микроскоп?
Сканирующий электронный микроскоп.
Как атомно-силовая микроскопия чувствует
прикосновение атомов.
Что такое туннельный микроскоп.
Лазерный пинцет – инструмент для
передвижения нанообъектов.
Наноматериалы.
Особая роль углерода в наномире.
Нанопроволоки. Дендримеры – капсулы
наноразмеров.
Самоорганизация нанообъектов и её
использование при создании наноматериалов.
Моделирование наноструктур.
Уникальные свойства наноструктур.
Большое отношение поверхности к объёму –
основное свойство нанообъектов.
«Эффект лотоса».
Отсутствие дислокаций - причина
колоссальной прочности нанопроволок и
нанотрубок.
Квантовые явления в наномире.
Квантовые точки – искусственные атомы
наномира.

Кол-во
часов
2
1
1
6
1
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
6
1
1
1
1
1

19
20
21
22
23
24

6

1
2
3
4
5

1
25
26

2
3

27
28
29

4
5

1
30
31
32

2
3
4

33

Зависимость цвета в наномире от размера
объектов.
Квантовая физика и наноструктуры.
Электромагнитные волны.
Квантовые представления об атоме.
Энергетические зоны кристаллов.
Ямы, барьеры, туннели, ящики и нити квантовые явления и структуры.
Нанотехнологии в диагностике. Возможные
риски использования наноматериалов.
Наноэлектроника.
Полевой транзистор – основной элемент
цифровых электронных схем. История
создания и современное воплощение.
Фотолитография или как рождается
микросхема.
Современный транзистор – это уже
нанотранзистор. Основная болезнь
нанотранзистора – высокая температура.
Углеродные нанотрубки – будущие элементы
нанотранзисторов.
Наносенсоры – глаза для наноэлектроники.
Наномоторы – мышцы нанороботов.
Нанотехнологии вокруг нас.
Нанокомпозитные
материалы.
Нанотехнологии в различных областях
производства.
Нанотехнологии в энергетике и экологии.
Нанотехнологии в криминалистике и
косметике.
Динамика развития нанотехнологий в России
и за рубежом. Перспективы мировой
наноэкономики.
ИТОГ
О:

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

1
5
1
1
1
1
1
5
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
33

1. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) – микроскоп, способный
чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между
отдельными атомами.
2. Гетеропереход - контакт двух различных полупроводников.
3. Гетероструктура - полупроводниковую структуру с несколькими
гетеропереходами.
4. Графен – это одиночный плоский лист, состоящий из атомов
углерода, связанных между собой и образующих решётку, каждая ячейка
которой напоминает пчелиную соту. Расстояние между ближайшими
атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм.
5. Дендримеры (древообразные полимеры) – наноструктуры размером
от 1 до 10 нм, образующиеся при соединении молекул, обладающих
ветвящейся структурой.
6. Диоксид титана, TiO2 – самое распространённое соединение титана
на земле. Порошок диоксида титана имеет ослепительно белый цвет и
поэтому используется в качестве красителя при производстве красок, бумаги,
зубных паст и пластмасс. Причиной такой белизны порошка диоксида титана
является его очень высокий показатель преломления (n=2,7).
7. Кантилевер (от англ. cantilever - балка) - представляет собой чип пластинку из легированного кремния миллиметровых размеров, из торца
которой торчит балочка, заканчивающаяся собственно зондом, предельно
тонким. В качестве зонда может использоваться углеродная нанотрубка.
8. Кластеры - нанообъекты, состоящие из сравнительно небольшого
числа атомов или молекул, от единиц до сотен тысяч. Кластеры имеют
наноразмеры по трем направлениям.
9. «Нано»- в переводе с греческого «карлик». Один нанометр (нм) –
это одна миллиардная часть метра (10-9 м).
10. Нанокомпозит- композиционный материал, в качестве одного из
компонентов которого взяты наообъекты (наночастицы, нанотрубки и т.п.),
при этом процент нанодобавок часто очень невелик (не более 5 %).
11. Нанопроволока - проволока с диаметром порядка нанометра,
изготовленная из металла, полупроводника или диэлектрика. Длина
нанопроволок часто может превышать их диаметр в 1000 и более раз.
Поэтому нанопроволоки часто называют одномерными структурами, а их
чрезвычайно малый диаметр (около 100 размеров атома) даёт возможность
проявляться различным квантово-механическим эффектам. Это объясняет,
почему нанопроволоки иногда называют «квантовыми проволоками».
12. Нанотрава множество
параллельных
нанопроволок
(наностержней) одинаковой длины, расположенных на равном расстоянии
друг от друга.
13. Нанотрибология- новая область науки о трении.
14. Нанофазный материал – материал, составленные из наночастиц.
15. Оптический (или лазерный) пинцет - устройство, использующее
сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов

или для удержания их в определённом месте, вблизи точки фокусировки
лазерного луча свет тянет к фокусу всё, что находится вокруг.
16. Сканирующие микроскопы (электронный, туннельный, атомносиловой, оптический ближнего поля и др.) последовательно исследуют
поверхность вначале по некоторой оси X, затем делают небольшой скачок в
перпендикулярном направлении и исследуют поверхность, возвращаясь по
оси X назад.
17. Технология «сверху вниз»- технология, позволяющая из
макроскопических материалов различными методами получать другие
макроскопические или микроскопические материалы и устройства, применяя
дробление, растворение и осаждение, обработку поверхности электронным
или лазерным излучением и т. п.
18. Технология «снизу вверх» - технология, позволяющая любой
материал или устройство, уже существующее, в природе или создаваемое
впервые, собирать, начиная с отдельных атомов, по безотходной технологии.
19. Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры или гигантские
молекулы, состоящие только из атомов углерода.
20. Фуллерены - молекулярные соединения атомов углерода. В этих
молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и
пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида
(названы по имени американского инженера, дизайнера и архитектора Р.
БакминстераФуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий
пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами
молекулярных каркасов всех фуллеренов).
Цифровые образовательные ресурсы
для реализации тем рабочей программы
1. http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях в России
2. http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества
«Нанометр»
3. http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о
нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках
4. http://www.nanorf.ru/ - журнал «Российскиенанотехнологии»
5. http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал
6. http://www.nanoware.ru/ официальный
сайт
потребителей
нанотоваров
7. http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно популярный сайт о нанотехнологиях.
8. http://www.rusnor.org/ - нанотехнологическое общество России.
9. http://www.portalnano.ru/ научно-популярный
портал
о
нанотехнологиях.