Наноматеріалознавство
Спеціальність: Прикладна фізика
Код дисципліни: 7.105.01.O.001
Кількість кредитів: 6.00
Кафедра: Прикладна фізика і наноматеріалознавство
Лектор: канд. техн. наук, доцент Кондир Анатолій Іванович
Семестр: 1 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК 10. Уміння думати абстрактно, здатність до аналізу та синтезу, що дозволяє формулювати висновки (діагноз) для різних типів складних управлінських задач, здійснювати планування, аналіз, контроль та оцінювання власної роботи та роботи інших осіб.
ЗК 11. Підприємницький дух, ініціативність через здатність ефек¬тивно використовувати на практиці різні теорії в управлінні наукою та в області ділового адміністрування.
ЗК 12. Навички використання інформаційних та комунікативних технологій, впровадження комп’ютерних програм та використання існуючих.
фахові компетентності:
ФК 6. Знання основ охорони праці, виробничої санітарії і пожежної безпеки при організації виробничої і науково-дослідницької діяльності;
ФК 8. Базові знання загальних засад організації матеріально-технічного та інформаційного забезпечення підприємства у професійно-орієнтованій галузі діяльності;
ФК 10. Здатність з’ясовувати причинно-наслідкові зв’язки, аналі¬зувати й узагальнювати зовнішню і внутрішню управлінську інформацію для здійснення планування, організовування, мотиву¬вання працівників та контролю за діяльністю підлеглих в підроз-ділах виробничих та науково-дослідних підприємств
ФКС 3. Здатність побудувати фізико-математичні моделі явищ і процесів у мезо- та наносистемах.
ФКС 4. Здатність аналізувати ефективність використовуваних технічних засобів та матеріалів для вирішення прикладних задач нанонауки
ФКС 5. Здатність здійснювати моніторинг наукової інформації щодо питань наноматеріалознавства за допомогою бібліотечних каталогів та баз даних міжнародних електронних бібліотек.
Результати навчання: • знати фізичні основи створення і використання наноматеріалів;
• вміти застосовувати засоби контролю параметрів і властивостей нанорозмірних об'єктів;
• вміти критично оцінювати переваги, недоліки та сфери можливого застосування нових наноматеріалів та нанотехнології;
• мати уявлення про сучасні тенденції теоретичних та експериментальних досліджень в обраній галузі технічної фізики;
• обирати оптимальні шляхи впровадження нових ідей та використання новітніх досягнень у галузі нанотехнологій.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: • пререквізити: основи наноматеріалознавства, сучасні методи фізичних досліджень, фізика твердого тіла, фізика і технологія наносистем, фізичне матеріалознавство, фізика квантово-розмірних систем;
• кореквізити: пристрої молекулярної енергетики нового покоління, фізика і технологія наносистем, функціональні матеріали молекулярної енергетики, виконання магістерської кваліфікаційної роботи.
Короткий зміст навчальної програми: Наукові основи нанотехнології. Фізичні причини специфіки властивостей наноматеріалів. Методи виробництва наноматеріалів. Методи дослідження будови та властивостей нанооб'єктів. Нанокластерні модифікації Карбону. Нанотрубки. Нанокластери і нанокристали. Наноплівки, нанодроти і нановолокна. Біологічні нанорозмірні й полімерні структури.
Опис: Тема 1. Наукові основи наноматеріалознавства і нанотехнологій
Загальні положення. Мультидисциплінарність та інтеграція наносистем.
Тема 2. Фізичні причини специфіки властивостей наноматеріалів
Фундаментальні електронні явища в наноструктурах. Квантове обмеження. Балістичний транспорт носіїв заряду. Тунельні ефекти. Спінові ефекти. Особливості структурно-фазового стану наноматеріалів. Розмірні ефекти у наноречовинах. Розмірні ефекти в дифракційних картинах наноструктур. Розмірні параметри ультрадисперсних матеріалів. Фазовий склад основних груп нанорозмірних об’єктів. Основні типи структур наноматеріалів.Квантові розмірні ефекти. Інтерференційні ефекти. Фізичні властивості наноструктурованих матеріалів.
Тема 3. Методи аналізу нанодисперсних систем
Електронна мікроскопія. Просвічувальна мікроскопія. Растрова мікроскопія. Сканувальна тунельна мікроскопія. Атомно-силова мікроскопія. Сканувальна оптична мікроскопія ближнього поля. Сканувальна тунельна спектроскопія. Спектроскопічні методи. Мікрохвильова спектроскопія. Рентгенівська і фотоелектронна спектроскопія. Електронна оже-спектроскопія. Раманівська спектроскопія (спектроскопія комбінованого розсіювання світла).
Інфрачервона спектроскопія. Мессбауерівська спектро-скопія. Люмінесцентний аналіз. Дифракційні методи дослідження. Дифракція на кристалічних ґратках. Дифракція випромінювання в аморфних речовинах. Малокутове розсіювання рентгенівських променів. Визначення товщини і кількості шарів у багатошарових наноматеріалах (надґратках). Дослідження магнітних властивостей. Вимірювання електричного опору.
Тема 4. Виробництво нанопорошків і нановиробів. Методи створення нанооб'єктів
Отримання нанопорошків методами порошкової металургії. Хімічні технології. Фізичні методи виробництва нанопорошків. Методи інтенсивного пластичного деформування. Біологічні методи синтезу наночасточок. Комбіновані методи. Матричні методи.
Формування та спікання виробів з нанопорошків. Методи формування. Спікання напівфабрикатів. Хімічні технології. Фізичні процеси. Нанолітографія. Методи створення активних елементів наноелектроніки. Маніпуляції атомами на поверхні. Самоорганізація та самоскладання.
Тема 5. Нанокластерні модифікації Карбону
Фулерени. Структурні властивості. Електронна структура С60. Механізм утворення фулеренів. Сполуки на основі фулеренів. Фізико-хімія фулеренів. Ендоедральні фулерени. Екзоедральні фулерени (фулеренові адукти). Гетерофулерени. Синтез фулеренів. Фулерени в розчинах. Фулерити. Полімеризація молекул фулеренів. Орієнтаційні структури. Інтеркаляції у фулеритах. Фулериди.
Тема 6. Нанотрубки
Нанотрубки. Вуглецеві нанотрубки. Геометрія нанотрубок. Одностінні й багатостінні нанотрубки. Фізико-хімія нанотрубок. Синтез нанотрубок. Способи розкриття торців і очищення нанотрубок. Основні властивості нанотрубок. Неорганічні нанотрубки. Кремнієві нанотрубки. Перспективи застосування нанотрубок.
Тема 7. Нанокластери і нанокристали
Класифікація нанокластерів та наноструктурі. Нанокластери. Кластерні сполуки. Магічні кластери Нанокристали. Наноалмази.
Тема 8. Консолідовані наноматеріали
Фотонні кристали. Нанокомпозити. Надґратки. Нанопористі матеріали. Нанокераміка.
Тема 9. Наноплівки, нанодроти і нановолокна
Наноплівки. Квантові ями. Квантові точки. Нанодроти і нанонитки. Нановолокна Магнітні наноматеріали. Плівки Ленгмюра–Блоджетт.
Графен і сполуки на його основі. Графен. Магнітний графен. Q-графен. Графенові нанострічки. 3D-графен. Графолд. Гібридний наноматеріал з вуглецевих нанотрубок і графену. Графин. Силіцен
Тема 10. Нанорозмірні біологічні й полімерні структури
Загальні положення. Міцели. Наносоми. Ліпосоми. Ніосоми. Дендримери. Наноконтейнери – вектори на основі наноматеріалів. Органічні сполуки і полімери. Біологічні наноматеріали.
Тема 11. Оглядова лекція
Перспективи використання наноматеріалів та виробів з них.
Методи та критерії оцінювання: • письмові звіти з виконання індивідуальних робіт, усне опитування, контрольна робота (30 %);
• підсумковий контроль (70 %, контрольний захід, екзамен): письмово-усна форма
(55 + 15 %).
Критерії оцінювання результатів навчання: Під час контрольних заходів (проміжний контроль, екзамен) відповіді студента оцінюються за такими критеріями:
Питання 1 і 2 рівня носять тестовий характер, вимагають від студента вибору однієї правильної відповіді серед 4-5 ймовірних варіантів та оцінюються за принципом "все або нічого":
мкб (максимальна кількість балів) - правильна відповідь,
0 балів - неправильна відповідь.
Теоретичні питання 3 рівня:
Мають на меті перевірку навичок студентів щодо розуміння теоретичного матеріалу. Відповідь по-можливості має бути повною та аргументованою.
Максимальну кількість балів (мкб) за питання отримує студент, що повністю висвітлив питання.
70-90 % від мкб – питання в цілому висвітлене, але є незначні неточності або інші недоліки.
50-70 % від мкб – відповідь на питання дано не в повному обсязі і/або є суттєві помилки .
30-50 % від мкб– зроблена спроба відповісти на питання, але зроблено грубі помилки і/або питання в цілому не висвітлене. Такої ж оцінки заслуговуватиме студент, якщо він робить неправильні висновки на основі логічних припущень, що містять правильні міркування.
10-30 % від мкб– зроблена невдала спроба відповісти на питання, лише окремі міркування і /або формули є вірними.
0 балів – жодна з записаних формул не має стосунку до даного питання, всі міркування є помилковими, або цілковито відсутні.
Відмінно – 88 … 100 балів.
Добре – 71 … 87 балів.
Задовільно – 50 … 70 балів.
Незадовільно – 0 … 49 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Заячук Д. М. Нонотехнології і наноструктури: навч. посібник для ВНЗ / Д. М. Заячук. – Львів : Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2009. – 581 с.
2. Нанохімія, наносистеми, наноматеріали / С. В. Волков, Є. П. Ковальчук, В. М. Решетняк. –
К. : Наукова думка, 2008. – 426 с.
3. Кондир А.І. Наноматеріалознавство і нанотехнології: навч. посібник для ВНЗ / А.І Кондир. – Львів : Вид-во Нац. ун-ту “Львівська політехніка”, 2017. – 452 с.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).