Презентация "Моделирование и исследование свойств наночастиц" 11 класс

Моделирование и исследование свойств наночастиц Выполнила работу: Харитонова Яна. ученица 11класса МБОУ «СОШ №7 г. Медногорска»

Исследовательская работа

Введение Нанотехнологии – одна из высокотехнологичных отраслей современной науки и техники, которая занимается исследованием атомов и молекул и созданием из них различного рода искусственных изделий. Достижения в области этой самой высокой технологии неизбежно ведут к революции в медицине, электронике, искусственном интеллекте, промышленности и в других сферах человеческой деятельности. Иными словами, нанотехнология – это путь к созданию новой цивилизации с присущими ей набором ценностей и идеалов. Цель данной работы –

Исследование моделирования наночастиц при использования компьютерной программы nanoModel и ее адаптация к школьному курсу физики

4

3

1

2

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Проанализировать исторические и теоретические материалы образование наночастиц.

2. Проследить процедуру формирования наночастиц для воспроизведения физической и логической цепочки атом-молекула и атом- наночастица.

3.Разработать модели с помощью виртуального лабораторного практикума "Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях" – nanoModel.

4.Создать электронный учебник для научного исследования наночастиц для использования в школьном курсе элективного и профильного образования..

Объекты исследования: модели построенных наночастиц металлов и неметаллов.

• Объекты исследования: модели построенных наночастиц металлов и неметаллов.
• Предмет исследования: наночастицы.
• Методы исследования: Математическое моделирование процессов построения наночастиц на основе программного комплекса nanoModel

2. Исторические аспекты развития нанотехнологии.

Человечество использовало нанотехнологии тысячи и сотни лет назад, но не догадывалось об этом. Древние египтяне и римляне, индейцы Майя, средневековые мастера Европы получали материалы, состоящие из упорядоченных наночастиц, что придавало им необычные качества. Достижения в области этой самой высокой технологии неизбежно ведут к революции в медицине, электронике, искусственном интеллекте, промышленности и в других сферах человеческой деятельности. Иными словами, нанотехнология – это путь к созданию новой цивилизации с присущим ей набором ценностей и идеалов.

Оборудование нанотехнологии.

Всякая технология, будь то обработка материала на макро-, микро- или наноуровне, не может обходиться без средств измерения соответствующих величин.

В 1981 году был создан первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). В 1982 г., с его помощью впервые в истории получили изображение поверхности золота, а затем и кремния с атомарным разрешением.

В 1986 г в лаборатории цюрихского отделения IBM были созданы микроскопы следующего поколения – атомно-силовые (АСМ).

Что такое физикохимия?

Традиционные химия, физика, механи­ка имеет дело с макроскопическими количествами вещества, содержащими такое громадное количество атомов, что вещест­во кажется сплошным и мы редко вспоминаем о его атомарной структуре. Триллионы соединенных вместе атомов образуют так называемое компактное вещество.

Первым обратил на это внимание известный ученый XIX века Майкл Фарадей, сумевший получить коллоидную суспензию, состоящую из крошечных частиц золота.

Именно первые опыты по получению наноскопических частиц привели к бурному росту интереса в научных кругах.

Сегодня ученые умеют получать наноструктуры практически всех химических элементов, что дает огромную свободу для исследований.

Визуализационное моделирование.

Наиболее простая из современных визуализационных программ –программа nanoModel на базе учебно-методического программного комплекса «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях

Смотреть чужие модели наноструктур, конечно, интересно, но гораздо интереснее строить их самим. Один из способов применения моделирования апробированный мной в школьном курсе изложен в практической части работы.

Практическая работа «Моделирование и исследование свойств наночастиц».

Практические исследования были выполнены с помощью виртуального лабораторного практикума nanoModel на базе учебно-методического программного комплекса «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях». Для составления выполнения лабораторной работы воспользуемся моделью «Моделирование однокомпонентных наночастиц». В процессе моделирования отдельные атомы объединяются в группы. Используя программу nanoModel , для каждого элемента из группы металлов и неметаллов можно получить выходные данные и вид модели наночастиц .

Цель :

Исследовать построение моделей наночастиц металлов и неметаллов в зависимости от координационного числа при использования компьютерной программы.

4

3

2

1

Click to edit text styles

Задачи:

1.Проследить процедуру формирования наночастиц для воспроизведения физической и логической цепочки атом-молекула и атом наночастица.

2.Разработать модели с помощью виртуального лабораторного практикума- nanoModel

Выполнение работы

• Подготовить входные данные для расчетов в зависимости от варианта работы.
• Запустить численный эксперимент.
• По окончании работы программы извлечь выходные данные (координационные числа элементов, плотность и размер частицы).
• Провести сравнительный анализ результатов расчета при разных значениях управляющих параметров и сделать выводы относительно их влияния на построение наночастицы.

Пример выполнения лабораторной работы : «Моделирование и исследование свойств наночастиц»

Исходя из исследования теоретического материала о строении вещества, необходимо использовать для построения модели наночастицы элементы, приведенные в таблице

Металлы

Не металлы

Щелочные металлы

Щелочноземельные металлы

Используя программу nanoModel, для каждого элемента из группы металлов и неметаллов для лучшей репрезентативности проведенной серии экспериментов получены данные характеризующие структуру наночастицы и получены их изображения структуры

Al

Pd

Ag

Элемент

Изображение

Изображение аналога полученной структуры

Mg

Fe

Na

K

Nb

Ge

Sn

Sb

Bi

Te

Практическая работа

Капля, нанесенная на подложку, после испарения оставляет на ней ансамбль из микросфер («кольца») определенной архитектуры, зависящей от многих параметров. Поэтому, для получения наноструктурированных материалов с заранее заданными свойствами весьма актуальным является изучение влияний различных исходных параметров на конечную архитектуру рабочего элемента – нанесенного «кольца».

«Самосборка ансамблей микро- и наночастиц в капле растворителя»:

Цель работы:

Исследование зависимости морфологии ( характера расположения на подложке и упорядочения) ансамбля микро- и наночастиц, получаемой в результате самосборки, а также времени высыхания растворителя, от физико-химических параметров системы ( смачиваемости подложки, гистерезиса контактного угла, размера и количества частиц).

Задачи, выполняемые в процессе работы:

• Получение теоретических представлений о явлении самосборки ансамблей частиц путем компьютерного моделирования процессов в высыхающей капле коллоидного раствора.
• Ознакомление с основными движущими силами процессов самосборки и их применением для получения структуры с заданной морфологией.
• Ознакомление с методом диссипативной динамики частиц как инструмента компьютерного расчета морфологии ансамбля наночастицв высыхающей микрокапле раствора.
• Конкретные задания могут включать исследования воздействия на самосборку следующих параметров системы:
• Cмачиваемости раствором подложки (задается величиной контактного угла φ); рекомендуемые диапазоны 300-900
• Радиуса частиц R (от 50 нм до 1000 нм, шаг варьирования выбрать самостоятельно, предлагаемый по умолчанию вариант - 50 нм)
• Количества частиц в ансамбле N (от 500 до 10000, шаг варьирования выбрать самостоятельно, предлагаемый по умолчанию вариант – 500)

Бензин

Эфир

Ацетон

Спирт

Керосин

Скипидар

Масло машинное

Вода

Глицерин

Серная кислота

Оценка влияния изменения параметров плотностей веществ на создание архитектуры наночастиц при высыханиии капли жидкости в веществах

Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости выстраивается при использовании следующих растворителей :спирт, скипидар, вода, масло.

Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров температуры и создание архитектуры наночастиц при высыхании.

295(22˚С)

300(27˚С)

305(32˚С)

310(37˚С)

315(42˚С)

Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при температуре 295 К (22˚С) и 300 К (27˚С).

Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров относительно влажности на системах SiO2-вода-SiO2 и создание архитектуры наночастиц при высыхании.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при относительной влажности 50 до 70 %.

Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров угла контакта (угол между касательной к поверхности капли и горизонтальной прямой на создание архитектуры наночастиц при высыхании.

30˚

35˚

40˚

45˚

50˚

55˚

60˚

65˚

70˚

75˚

80˚

85˚

90˚

Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при угле контакта в 90˚.

Даная методика была апробирована на элективных курсах в 9 классе. Учащиеся справились с комплексом вышеизложенных лабораторных работ. Были получены все вышеописанные структуры.

Создано электронное пособие для научного исследования наночастиц в школьном курсе элективного и профильного образования.

Выводы:

Методика, для которой описан пример лабораторной работы, носит исследовательский характер в рамках школы и является оптимальным вариантом для ознакомления со способами физического, имитационного и компьютерного моделирования, свойства структур, силами взаимодействия и моделированием применительно к нанотехнологиям.

Заключение .

Выбор темы связан с тем, что в данное время нанотехнология и производство наноматериалов становится одним из основных направлений научного и технологического развития во всем мире.

Способов получения наноструктур существует великое множество. Можно распылять вещество лазером, облучать газоразрядной лампой или даже соскребать со стенок термоядерного реактора. А можно, используя компьютерную программу, построить нанообъекты и по полученным данным рассмотреть нанообъекты. Предложенная компьютерная модель апробирована на элективных школьных курсах, хорошо воспроизводится в экспериментальных условиях, а значит, может широко применяться при изучении физики в школе при профильном обучении в 10-11 классе и на элективных курсах в 9 классе.

Заключение .

• Из проведенной практической части работы следует сделать следующие выводы: методика, для которой описан пример лабораторных работы, является оптимальным вариантом для ознакомления со способами физического, имитационного и компьютерного моделирования, свойствами наноструктур, силами взаимодействия и моделированием применительно к нанотехнологиям в школьном курсе профильного изучения физики для 10-11 классах и элективных курсах в 9 классе.

Спасибо за внимание !

www.themegallery.com