Модуль «Цеолиты – кипящие камни».

Лабораторная работа «Сорбция и десорбция воды на цеолитах и тепловой эффект»

Цель работы: Познакомиться со строением силикатов, а также изучение сорбции и десорбции на цеолитах и перспективности их применения в различных областях.

Дети узнаю, что силикаты – это минералы с кристаллической решеткой, построенной из кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются катионы металлов. Вокруг кремнекислородного тетраэдра располагаются катионы металлов, нейтрализующие избыток отрицательного заряда. Это могут быть, натрий, калий, магний, кальций и др. уникальность силикатов состоит в склонности одного атома кислорода образовывать связь с двумя атомами кремния, соединяя через общую вершину два кремнекислородных тетраэдра. Он выступает мостиком, позволяя создавать протяженные геометрические фигуры.

Силикаты, в части кремнекислородных тетраэдрах которых кремний замещен на алюминий, называют алюмосиликатами. Силикаты могут быть островные, слоистые, а мы остановимся на каркасных алюмосиликатах – это цеолиты. Из строение очень сложное. Структурная особенность кристаллической решетки цеолитов – это внутренняя система полостей и каналов.

Дети познакомятся с некоторыми свойствами цеолитов. На этой лабораторной работе они увидят, что цеолиты – это тоже хорошие сорбенты, которые поглощают жидкость. Но также они ее могут отдавать при нагревании. Поэтому с ними можно проводить несколько циклов сорбции и десорбции. Они могут поглощать воды до половины собственного объема. В работе дети познакомятся с 5 видами синтетических цеолитов.

Так же они ощутят тепло при добавлении воды в цеолиты, это гидроксильные группы, образуют водородные связи с молекулами воды и этот процесс сопровождается выделением тепла.

 

Лабораторная работа «Ионный обмен в цеолитах и очистка воды от тяжелых металлов»

Цель работы: выявить ионообменные свойства в цеолитах различного типа.

Дети познакомятся с 5 видами цеолитов, поймут,что обозначают надписи NaX, NaA, CaA, KA и NaX, меньшего размера.

Структурная особенность кристаллической решетки цеолитов – это внутренняя система полостей и каналов. Полость в форме усеченного октаэдра(содалитовая ячейка) является основой кристаллической решетки многих цеолитов В зависимости от способа соединения каналов- призм с квадратным основанием к содалитовой ячейки получиться мотив А, с шестигранных призм – мотив Х и У.

Каркас алюмосиликата имеет отрицательны заряд, а в полостях каркаса располагаются положительные катионы металлов, его компенсирующие. Эти катионы и являются Na, Ca, K.

Сначала дети погрузят на время цеолиты в раствор медного купороса, а затем с помощью водного аммиака узнают на сколько хорошо поглотился цеолитом медный купорос. Для контроля сделаем раствор медного купороса с аммиаком, он василькового цвета. Чем бесцветнее раствор при добавлении аммиака, тем лучше определенный вид цеолита поглотил медный купорос.

 

Образовательные квесты

 

Особенностью разработанной методики по изучению элементов нанотехнологий является ее реализация посредством образовательных квестов.

Само английское слово «quest» можно трактовать как «поиск» или даже «приключение». Собственно, на поиске решения для какой-то конкретно поставленной задачи и основаны квест-технологии в образовании.

В качестве интерактивного средства для изучения нанотехнологий, образовательный квест был выбран не случайно. Данная технология имеет ряд преимуществ: формирование и развитие познавательной активности обучающихся за счет использования компьютерной техники и за счет вовлечения их в сферу интеллектуальной естественнонаучной деятельности; участие в квесте в любое свободное для обучающегося время, но с учетом временных ограничений на выполнение запланированных заданий; отсутствие необходимости закупать дорогостоящее оборудование для проведения практических занятий; развитие навыков взаимодействия и коммуникации; привлечение большого количества участников квеста за счет возможности дистанционного участия.

Структуру образовательного квеста можно характеризовать наличием следующих составляющих: постановка задачи; этапы прохождения квеста; порядок выполнения заданий; наличие штрафов, поощрений; система подсказок; конечный результат.

Цель образовательного квеста состоит в пропедевтическом знакомстве обучающихся с элементами нанотехнологий.

Одной из ведущих задач квеста является: развитие познавательной активности обучающихся к изучению современных технологий, а также популяризация основ наук и элементов научных знаний.

Обучение детей по представленной методике рекомендуется в центрах дополнительного образования и во внеурочной деятельности общеобразовательных образовательных организациях.

Разработки образовательных квестов представлены в Приложении №2.

Заключение

В заключении следует особенно отметить, что программа «Основы нанотехнологий» направлена на совершенствование технологической подготовки, более ранней профильной подготовки школьников, а также организацию пропедевтических занятий, направленных на формирование интереса учащихся к изучению предметов естественнонаучного цикла.

Формы работы, используемые в образовательном процессе, представляют обучающимся возможность открывают для себя новые знания, которые находятся «на передовой» научного общества; могут погрузиться в атмосферу исследований – подобную той, какая царит в современных лабораториях; почувствовать себя настоящими учеными-исследователями.

Технологическое образование уникально тем, что включает в себя знания междисциплинарного характера, тем самым позволяя решить научно-практические задачи, сформировать у школьников технологическую грамотность, компетентность и создать условия для профессионального самоопределения на современном рынке труда.

По окончанию реализации ДО(О)П «Основы нанотехнологий» у обучающихся формируются следующие компетенции:

Универсальные компетенции:

• умение генерировать идеи указанными методами;

• умение слушать и слышать собеседника;

• умение аргументированно отстаивать свою точку зрения;

• умение искать информацию в свободных источниках и структурировать ее;

• умение комбинировать, видоизменять и улучшать идеи;

• навыки командной работы;

• умение грамотно письменно формулировать свои мысли;

• критическое мышление и умение объективно оценивать результаты своей работы;

• основы ораторского мастерства.

Знаниевые и профессиональны компетенции:

• отличительные особенности наносостояния материалов;

• основные параметры, определяющие свойства нанообъектов, методы и приборы их характеризации;

• классификацию, возможности и назначение основных методов получения наноматериалов;

• технологическое оборудование и основные методы получения нанопорошков, нанослоев и компактных наноматериалов;

• основы обработки наноструктурированных материалов; методов и технологии получения нанкомпозитов;

• умение анализировать и предсказывать тенденции развития сегмента рынка продукции на основе наноразмерных систем;

• знание основных параметров, определяющих свойства нанообъектов, методов и приборов их характеризации;

• понимание принципов, заложенных в конструкции и программное обеспечение СЗМ;

• навыки работы на СЗМ различных типов;

• умение выбирать оптимальные расходные материалы;

• навыки анализа данных, полученных с помощью СЗМ.

Список литературы

1. Богомолова, О.Б. Логические задачи [Текст] / О.Б. Богомолова. — 4‑е изд.— Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 271 с.

2. Габова М. А. Путешествия по стране Графика: приложение 2: диагностика пространственного мышления и графических умений у детей 6-7 лет / М. А. Габова // Образование в современной шк. – 2003. – № 11. – С. 7–20.

3. Долженко Г.И. 100 поделок из бумаги[Текст] / Г.И. Долженко.— Ярославль: Академия развития, 2009. - 143 с.

4. Корниенко С.А. Применение дистанционных образовательных технологий в дополнительном образовании детей [Текст] / С.А. Корниенко // Инновационные педагогические технологии: материалы II междунар. науч. конф. (г. Казань, май 2015 г.). — Казань: Бук, 2015. — С. 124—128.

5. Перельман, Я.И. Веселые задачи [Текст]/ Я.И. Перельман. — Москва: АСТ: Астрель,2014. — 288 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1

ОГРАНИЧЕНИЯ

1 уровень:

1. Найдите информацию о дифракционном пределе для пространственного разрешения оптического микроскопа. Найдите информацию о пространственном разрешении электронного микроскопа. Найдите информацию о пространственном разрешении сканирующего зондового микроскопа в туннельном режиме, в силовом режиме и в режиме оптической микроскопии ближнего поля. Составьте таблицу по основным типам микроскопов с указанием основных факторов, определяющих пространственное разрешение. Проведите сравнение функциональных возможностей оптического, сканирующего зондового и сканирующего электронного микроскопов.

 

2. Явление механического резонанса является ключевым эффектом, используемом в полуконтактном режиме силового микроскопа. Рассчитайте собственные колебательные частоты макро-, микро– и нанобалок. Пьезоэффект используется в пьезосканерах СЗМ, осуществляющих механическое сканирование, а также в пьезокантилеверах, измеряющих локальную силу. Найдите информацию о прямом и обратном пьезоэффектах. Найдите материалы, обладающие пьезоэффектом, оцените величины перемещений, которые можно реализовать с помощью пьезосканера и сил, которые могут быть измерены пьезокантилевером.

 

3. Найдите информацию о методах создания сверхострых твердых зондов: механическая резка, вытягивание, электрохимическое травление, методы фотолитографии и пзамохимического травления, локальная обработка сфокусированным пучками заряженных частиц высоких энергий. Изучите их основные достоинства и недостатки, сравните функциональные характеристики сверхострых твердых зондов, изготовленных различными способами.

 

4. Найдите информацию о функциональных нанозондах на основе нанопроводов, нанотрубок, нановискеров, сравните их функциональные характеристики. Изучите методы формирования нанозондов.

 

5. Пьезоэффект эффект лежит в основе позиционирования зонда или объекта в сканирующем зондовом микроскопе. Найдите информацию о типах пьезокерамических позиционеров. Оцените влияние термодрейфа на точность позиционирования зонда относительно образца.

 

6. Явление туннельного эффекта лежит в основе туннельной микроскопии. Найдите выражение для зависимости туннельного тока от расстояния между вершиной зонда и поверхностью образца. Постройте график этой зависимости для разных значений средней работы выхода электрона Ф=(Ф1 + Ф2)/2 (Ф1 – работа выхода зонда, Ф2 – работа выхода образца) Определите при каком значении работы выхода в туннельном микроскопе можно визуализировать отдельные атомы.

 

7. Для стабилизации локального взаимодействия между зондом и образцом в СЗМ используется система автоматического регулирования (следящая система) с петлей отрицательной обратной связи. Найдите информацию о принципе работы системы автоматического регулирования и соотношении между точностью слежения и быстродействием следящей системы. Найдите способы поддержания постоянного тока в туннельном зазоре. Опишите алгоритм поддержания постоянного тока между зондом и поверхностью образца с контролем через туннельный ток. Опишите алгоритм поддержания постоянной силы прижима кантилевер-образец, алгоритм обеспечения постоянной амплитуды колебаний микробалки при частичном контакте зонд-образец.

 

8. Найдите информацию о режимах сканирования в СЗМ микроскопе. Опишите физические явления, лежащие в основе сканирующей туннельной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, динамической силовой литографии, локальном анодном оксидирование. Опишите алгоритм двухпроходных методик.

 

9. Найдите информацию о методах манипулирования наночастицами и одиночными атомами с помощью сверхострыхтвердых зондов. Определите функциональные возможности и ограничения данного метода.

 

10. Найдите информацию о сверхгидрофобности поверхности и «эффекте Лотоса». Найдите примеры сверхгидрофобности в живой природе. Опишите связь гидрофобности и наноструктурированности поверхности.

 

11. Найдите информацию о плазмонном эффекте и плазмонных частицах. Найдите способы создания плазмонных наночастиц на поверхности стекол.

 

12. Найдите информацию о способах визуализации микро– и наноструктур, созданных с помощью электронной, оптической и ионной литографий.

2 уровень:

1. Изучите принцип работы СЗМ “NanoTutor”. Изучите описание работы на приборе “NanoTutor”. Проверьте себя на виртуальном тренажере СЗМ “NanoTutor”, проведя визуализацию поверхности CD диска, лепестка розы, крыла бабочки и др. Проведите обработку полученных изображений (вычитание плоскости, вычитание поверхности второго порядка, устранение ступенек, медианная фильтрация и т.п.), выполните поперечные сечения полученных изображений, постройте гистограмму распределения высот, измерьте характерные размеры нанообъектов.

 

2. Проведите исследование резонансных характеристик зондового вольфрамового датчика и сканера СЗМ микроскопа NanoTutor, определите резонансную частоту и добротность. Исследуйте влияние веса образца и зонда на резонансную частоту сканера и зондового датчика.

 

3. Получите изображение нано-объекта с помощью метода сканирующей силовой микроскопии в полуконтактном режиме СЗМ микроскопа.

 

4. С помощью СЗМ микроскопа определите параметры тестовой решетки TGZ. Оцените влияние термодрейфа, связанного с колебаниями температуры в лаборатории на СЗМ изображения.

 

5. Проведите СЗМ сканирование сверхострой иглы, локализованной на поверхности образца и определите по полученному СЗМ наноизображению радиус вершины используемого зонда.

 

6. Проведите изготовление W-зондов из вольфрамовой проволоки для сканирующего зондового микроскопа, работающего в режиме туннельной микроскопии и полуконтактном силовом режиме. Выберите оптимальную форму зондов для каждого из режимов.

 

7. Провидите исследование поверхности твердых тел, например, кремниевой подложки методом сканирующей туннельной микроскопии, определите характерные размеры топологических объектов.

 

8. В графическом редакторе разработайте шаблоны топологической структуры в нанометровом масштабе и создайте микро– и наноструктуры методом силовой СЗМ литографии.

 

9. Проведите исследование артефактов в сканирующей зондовой микроскопии. Разработайте тестовые объекты и условия проведения измерения, обеспечивающие объективное выделение и визуализацию каждого артефакта.

 

10. С помощью пакета графической обработки и количественного анализа СЗМ изображения определите характерные размеры топологических объектов. Разработайте программное приложение, позволяющее в автоматическом режиме определять топологические параметры микрокольцевого фильтра, работающего по принципу «мод шепчущей галереи»

 

11. В графическом редакторе разработайте изображение топологической структуры в нанометровом масштабе и создайте микро– и наноструктуры методом электронной литографии.

 

12. Рассчитайте топологические параметры плазмонной наночастицы с заданными свойствами. С помощью электронной литографии или метода электрорастворения создайте такие плазмонные наночастицы на поверхности стекол. Исследуйте их свойства с помощью сканирующей электронной и сканирующей зондовой микроскопии.

 

13. Проведите исследование морфологии гетероструктур с фазовым распадом (InGaN), определите характерные размеры зон фазового распада. Исследуйте зависимость размера фазовых зерен от внешних параметров, влияющих на их

формирование.

 

14. Найдите материал и метод создания магнитного зонда. С помощью разработанного зонда проведите МСМ исследование магнитной записывающей головки персонального компьютера.

 

15. В графическом редакторе разработайте дизайн микро– или наноструктуры с заданными свойствами. Создайте такую структуру методом жидкостного травления по маске. Проведите топологические исследования такой структуры, определите шероховатость.

 

16. Разработайте методологию проведения измерения топологии поверхности пористых просветляющих покрытий.

 

17. Проведите исследование распределения по размерам квантовых точек на поверхности структур или высаженныхколлоидных квантовых точек в зависимости от технологических параметров их получения

 

18. Бумага – это элемент материальной культуры. Проведите исследование различных сортов бумаги в микро– и наномасштабах.

 

19. Отполируйте, пользуясь тонкой полировочной пастой и методом химической полировки поверхность стальных образцов различного состава. Найдите в ИНТЕРНЕТе состав травителя для выделения границ зерен в поликристаллических образцах. Проведите исследование зерен и фазовых выделений в образцах стали различного состава на наноуровне.

3 уровень:

1. Предложите методологию и проведите исследование природы окраски насекомых. Проведите исследование фотонных структур на крыле бабочки.

• Смарт-компонента 1: на поверхности металла создайте наноструктуру, имитирующую окрас крыла бабочки.

• Смарт-компонента 2: создайте наноструктуры, обладающие различной цветностью: красный, зеленый, синий.

 

2. Проведите исследование явления сверхгидрофобности и самоочистки поверхности в природе на примере листка лотоса или розы.

• Смарт-компонента 1: соберите оптическую установку на основе USB-камеры для экспресс диагностики гидрофобности поверхности.

• Смарт-компонента 2: предложите методы модификации поверхности, приводящие к изменению свойств гидрофобности.

• Смарт-компонента 3: с помощью УФ лампы модифицируйте гидрофобность стекла.

 

3. Разработайте и реализуйте метод «оптической» записи и хранения информации на наноуровне с помощью силовой СЗМ литографии.

• Смарт-компонента 1: создайте шаблон нано-QR кода.

• Смарт-компонента 2: с помощью метода динамической силовой литографии нанесите на поверхность CD диска нано-QR код.

• Смарт-компонента 3: считайте зашифрованную информацию в нано-QR коде, созданном другим школьником.

• Смарт-компонента 4: предложите и реализуйте способ модификации поверхности CD диска с помощью силовой литографии, который позволяет однозначным образом идентифицировать конкретный диск под освещением лампы широкого спектра излучения.

 

4. Разработайте воспроизводимую и контролируемую технологию создания микро– или наноструктуры методом жидкостного травления: определите зависимость скороститравления, отклонение размеров итоговых структур от заданного шаблона в зависимости от технологических параметров травления.

• Смарт-компонента 1: разработайте дизайн микрофлюидного чипа для формирования микрокапель.

• Смарт-компонента 2: методом травления и фотолитографии создайте прототип микрофлюидного чипа, в котором ток жидкости в каналах обеспечивается капиллярными силами.

5. Nanoart. Отберите объекты флоры, фауны и неживой природы, содержащие, по вашему мнению, интересные микро и наноструктуры на поверхности. Проведите визуализацию микро– и наноструктур на поверхности отобранных образцов Объясните функциональность обнаруженных микро– и наноструктур. Найдите изображения – аналоги в окружающем вас макромире схожие внешне с полученными нанокартинами. На основе сопоставления макро– и наноизображений создайте арт – галерею, заставляющую зрителя задуматься о взаимосвязях и единстве природы. Создайте привлекающий внимание настенный календарь Nanoart.

 

6. Разработайте рецептуру средства для ухода за волосами с добавкой нанокомпонент.

• Смарт-компонента 1: разработайте метод диагностики на микроуровне состояния окрашенных волос.

• Смарт-компонента 2: создайте наношампунь с частицами серебра. Выявите влияние наночастиц серебра на состояние окрашенных волос.

 

7. Разработайте электрохимический наносенсор на основе слоев графена.

• Смарт-компонента 1: создайте сенсор на основе слоев графена для диагностика присутствия в атмосфере паров изопропилового спирта.

• Смарт-компонента 2: создайте сенсор на основе слоев графена селективно определяющий присутствия в атмосфере паров изопропилового и этилового спиртов.

 

8. Предложите метод защита подлинности документов на наноуровне

• Смарт-компонента 1: Разработайте дизайн защитной метки, характерной размер которой меньше 1 мкм.

• Смарт-компонента 2: Предложите способы нанесения защитных нанометок на различные сорта бумаги: матовая, глаянцевая и др.

• Смарт-компонента 3: На бумаге различного сорта нанесите нанометку, которую можно считывать с помощью оптического микроскопа.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2