Кафедра Физики
| Утверждаю Проректор по учебно-методической работе ___________________________Газизов Р.К. “____”______________20.… г |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Физико-химические основы нанотехнологий»
Направление подготовки
152200 «Наноинженерия»
(код и наименование направления подготовки)
Профиль подготовки
Инженерные нанотехнологии в машиностроении
(наименование профиля подготовки)
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Уфа 2013
Рабочая программа дисциплины «Физико-химические основы нанотехнологий» /сост. А.К. Емалетдинова, д.ф.-м.н., проф. – Уфа: УГАТУ, 2013. - 13 с.
Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины базовой части профессионального цикла студентам очной формы обучения по направлению подготовки 152200 Наноинженерияв 5 семестре.
Рабочая программа составлена с учетом Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 152200 Наноинженерия, утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от "16" ноября 2010 г. № 1158.
Составитель ____________________ А.К. Емалетдинов
25.04.2013 г. (подпись)
| ã Емалетдинов А.К., 2013 ã УГАТУ, 2013 | |
Содержание
| 1 Цели и задачи освоения дисциплины………………….......................................4 |
| 2 Место дисциплины в структуре ООП ВПО.......……………..............................4 |
| 3 Требования к результатам освоения содержания дисциплины..........................4 |
| 4 Содержание и структура дисциплины (модуля)....……....……..........................5 |
| 4.1 Содержание разделов дисциплины....................................................................5 |
| 4.2 Структура дисциплины.......................................................................................7 |
| 4.3 Практические занятия (семинары)....…….......………………………............7 4.4 Лабораторные работы......……………………………………….....................8 |
| 4.5 Самостоятельное изучение разделов дисциплины…………......…...............8 4.6 Курсовой проект (курсовая работа).................................................................8 |
| 5 Образовательные технологии...............................................................................9 |
| 5.1 Интерактивные образовательные технологии, используемые в аудиторных занятиях..............................................................................................................9 |
| 6 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации............................................................................................................10 |
| 7 Учебно-методическое обеспечение дисциплины (модуля)..............................10 |
| 7.1 Основная литература……………......………….......………………................10 |
| 7.2 Дополнительная литература…………….....………………………………… 11 |
| 7.3 Интернет-ресурсы..............................................................................................11 |
| 7.4 Методические указания к лабораторным занятиям......................................11 |
| 7.5 Программное обеспечение современных информационно- коммуникационных технологий.....................................................................11 |
| 8 Материально-техническое обеспечение дисциплины………………….........11 |
| Лист согласования рабочей программы дисциплины…..…………………........13 |
Цели и задачи освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины – формирование систематизированных знаний основных понятий, законов и методов основных физико-химических процессов, лежащих в основе различных методов нанотехнологии. Формирование навыков проведения термодинамических и кинетических расчетов физико-химических процессов и умений их использования в нанотехнике и нанотехнологиях.
Задачи:
· Изучить основные физико-химические процессы, лежащие в основе различных методов нанотехнологии; протекающие в туннельной и атомно-силовой микроскопии.
· Научиться использовать физико-химические процессы для производства нанообъектов с заданными характеристиками.
Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Дисциплина относится к дисциплинам базовой части учебного цикла – Б3 Профессиональный цикл. Предшествующими курсами, на которых непосредственно базируется дисциплина «Физико-химические основы нанотехнологий» являются:
· Физика»;
· Химия;
· Математика;
· Физика конденсированного состояния.
Вместе с тем курс «Физико-химические основы нанотехнологий» является основополагающим для изучения дисциплин:
· Технологические системы в нанотехнологиях;
· Методы диагностики в нанотехнологиях;
· Процессы на поверхности раздела фаз;
· Дисциплин по выбору;
· При дипломном проектировании.
Требования к результатам освоения содержания дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО и ООП ВПО по направлению подготовки 152200 -Наноинженерия:
а) общекультурных (ОК):
· владением культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);
· умением логически верно, аргументированно и ясно строить устную и письменную речь (ОК-2);
· умением критически оценивать свои достоинства и недостатки, наметить пути и выбрать средства развития достоинств и устранения недостатков (ОК-6);
· владением основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);
· способностью организовать собственную работу на научной основе, оценить с большой степенью самостоятельности результаты своей деятельности (ОК-14).
б) профессиональных (ПК):
· использованием основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применением методов математического анализа и экспериментального исследования (ПК-1);
· осознанием сущности и значения информации в развитии современного общества; способностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ПК-2);
· владением основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ПК-3);
· способностью в составе коллектива исполнителей участвовать в эксплуатации и техническом обслуживании технологических систем, используемых при производстве наноматериалов, изделий на их основе, контроле качества оборудования (ПК-16);
· организационно-управленческая деятельность: способностью составлять частное техническое задание, управлять небольшой группой и оказывать помощь равным по квалификации и подчиненным, готов нести ответственность за результат собственных
· действий и (или) группы сотрудников на конкретном участке деятельности (ПК-17).
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
· термодинамику поверхности, процессы на поверхности и в приповерхностных слоях,
· процессы реконструкции и релаксации поверхности в туннельной и атомно-силовой микроскопии,
· методы плазменной обработки поверхности и условия изменения и сохранения ее свойств.
Уметь:
· анализировать механизмы роста на поверхности, основы физической химии наносистем;
· решать уравнения и характеристики условий кинетики роста наночастиц в наносистемах.
Владеть:
· методами расчета особенностей поверхностных процессов в микро- и наноструктурах, размерных эффектов и фазовых переходов;
· навыками работы с современными аппаратными средствами формирования наноструктур.
Приобрести опыт деятельности:
· работы с нормативной и технической документацией;
· работы с оборудованием для исследования физико-химических процессов нанотехнологий.
Содержание и структура дисциплины (модуля)
Содержание разделов дисциплины
Таблица 1 – Содержание разделов и формы текущего контроля
| № раздела | Наименование раздела | Содержание раздела | Форма текущ. контроля |
| Введение. Основные понятия. | Задачи и цель дисциплины. Терминология. Критические технологии 21 века. Национальные программы. История развития нанотехнологий. Элементы нанотехнологии.Классификация нанотехнологий (НТ) и наноматериалов (НМ). Характеристика индустрии наносистем: нанотехнолоrии, наноматериалы, нанодиаrностики, наносистемотехники. Основные методы получения наносистем. | ||
| Поверхностные явления и межатомные процессы | Роль механических, электромагнитных взаимодействий в нанотехнологиях. Межатомное, молекулярное взаимодействие и когезионная энергия твердых тел. Поверхность, границы, морфология наноматериалов. Термодинамика поверхности, поверхностная энергия. Границы зерен в наноструктуированных материалах. Поверхностное натяжение. Физико-химия процессов адсорбции и десорбции. Изменение характера адсорбции и десорбции при переходе частиц в наноразмерную область. | выполнение письменного задания (ВПЗ) | |
| Термодинамика явлений в наносистемах | Особенности термодинамических свойств наносред. Соотношение площади поверхности и массы нанообъектов. Изменение фазовых равновесий в наноразмерных системах. Особенности фазовых и полиморфных превращений в наносистемах. Изменение фазовых диаграмм наноматериалов. | ВПЗ защита лабораторных работ (ЗЛР) | |
| Кинетика процессов в наноразмерных системах | Зависимость параметров химической кинетики от размеров. Зависимость скорости реакции от размера частиц. Влияние размера наночастиц на температуру протекания реакции. Роль процессов диффузии. Объемная и поверхностная диффузия. Кинетические особенности химических процессов на поверхности наночастиц. Термодинамический подход к описанию влияния размерных факторов на сдвиг химического равновесия. Кинетика самоорганизации наноструктурных материалов. Процессы самосборки и катализа. | ВПЗ, ЗЛР | |
| Физико-химические основы формирования наноструктурированных материалов | Формирования наноструктур по механизму «снизу – вверх». Термодинамические аспекты гомогенного зародышеобразования. Расчет критического размера и изменения свободной энергии зародышей разной формы. Термодинамические аспекты гетерогенного зародышеобразования на поверхности кристалла. Кинетика гетерогенного зародышеобразования. Формирования наноструктур по механизму «сверху – вниз». Основные методы получения наносистем. синтез, молекулярно-пучковая эпитаксия, метод Ленrмюра-Блоджетт, золь-rель технолоrии, плазмохимические и ионно-лучевые технолоrии. | ВПЗ, ЗЛР | |
| Физические основы наномеханики. | Наномеханика. Особенности физических законов механики нанообъектов. Общая характеристика наноструктурного состояния. Классические и квантовые размерные эффекты. Движение и управление атомами и молекулами на наноуровне, механические свойства наноансамблей и нанотехнологии. Процессы под иглой спектрального туннельного микроскопа (СТМ) и атомного силового микроскопа (АСМ). | ВПЗ | |
| Формирование наноструктурированных областей при различных воздействиях на материалы. | Плазменные и электронно-лучевые процессы в нанотехнологиях.Закономерности образования зародышей и кластерообразования и формирование наноструктур в плазме. Формирование, особенности строения и формы наноструктурированных областей при энергетических воздействиях на поверхность. Агрегирование, упорядочение, самоорганизация наноразмерных структур. Физика перехода неупорядоченных систем в наноструктурированное состояние. Механизмы и закономерности деструкции поверхности при механическом и электронно-лучевом воздействии. Перспективные направления развития нанотехнологий и их использование в промышленности. | ВПЗ |
Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц (144 часов)
Таблица 2 – Трудоемкость дисциплины по видам работ
| Вид работы | Трудоемкость, часов | |
| 5 семестр | Всего | |
| Общая трудоемкость | ||
| Аудиторная работа: | ||
| Лекции (Л) | ||
| Практические занятия (ПЗ) | ||
| Лабораторные работы (ЛР) | ||
| Самостоятельная работа: | ||
| Курсовой проект (КП), курсовая работа (КР) | - | - |
| Расчетно - графическое задание (РГЗ) | - | - |
| Реферат (Р) | - | - |
| Эссе (Э) | - | - |
| Самостоятельное изучение разделов | ||
| Контрольная работа (К) | - | - |
| Самоподготовка (проработка и повторение лекционного материала и материала учебников и учебных пособий, подготовка к лабораторным и практическим занятиям, коллоквиумам, рубежному контролю и т.д.), | ||
| Подготовка и сдача экзамена | ||
| Подготовка и сдача зачета | - | - |
| Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | экзамен | экзамен |
Практические занятия
Таблица 3 – Наименование практических занятий
| № занятия | № раздела | Тема | Кол-во часов |
| Термодинамика поверхности, поверхностная энергия. Границы зерен в наноструктуированных материалах. | |||
| Особенности фазовых и полиморфных превращений в наносистемах. Изменение фазовых диаграмм наноматериалов. | |||
| Зависимость скорости реакции от размера частиц. Кинетика самоорганизации наноструктурных материалов. Процессы самосборки и катализа. | |||
| Кинетика гетерогенного зародышеобразования. Формирования наноструктур по механизму «сверху – вниз». Основные методы получения наносистем | |||
| Классические и квантовые размерные эффекты. Процессы под иглой спектрального туннельного микроскопа (СТМ) и атомного силового микроскопа (АСМ). | |||
| Закономерности образования зародышей и кластерообразования и формирование наноструктур в плазме. Формирование, особенности строения и формы наноструктурированных областей при энергетических воздействиях на поверхность. | |||
| Агрегирование, упорядочение, самоорганизация наноразмерных структур. Механизмы и закономерности деструкции поверхности при механическом и электронно-лучевом воздействии. |
Лабораторные работы
| № ЛР | № раздела | Наименование лабораторных работ | Кол-во часов |
| Исследование изменения фазовых диаграмм наноматериалов | |||
| Исследование структуры и параметров нанопокрытия при плазменном напылении | |||
| Исследование кинетики самоорганизации наноструктурных материалов при большой пластической деформации | |||
| Исследование процесса формирования наноструктур по механизму «снизу – вверх» |
