«Война и мир» на наномасштабе и «эффект лотоса»: что нужно знать школьникам про нанотехнологии

Из чего состоит СD-диск, почему крыло бабочки — серое, а цветок лотоса не впитывает влагу, можно ли написать свое имя в наномасштабе и какую площадь листа займут на наномасштабе все тома «Войны и мира»? В Университете ИТМО знают, как доступно и увлекательно рассказать школьникам о нанотехнологиях и наглядно показать, что физика — это не только нескучно, но и перспективно с точки зрения дальнейшей карьеры. Как наука идет в реальный бизнес и почему иногда десятиклассник может решить сложную задачу лучше целой группы инженеров — в нашем материале.

Реальные исследования против зубрежки

Можно ли заглянуть в наномир с помощью обычной лазерной указки и изучить, например, строение CD-диска? Каждый из нас держал переливающийся кругляшок в руках, но мало кто знает, что у него внутри и как он работает. Понять, как устроен CD-диск, под силу любому десятикласснику, которому интересно не просто учить формулы из школьного учебника по физике, но и делать собственные исследовательские проекты. Все, что для этого нужно, — взять диск и лазерную указку и посмотреть короткий ролик, где за пять минут объясняется, что такое дифракционная решетка и как она работает на примере компакт-диска.

Это одно из конкурсных заданий проекта на единой образовательной платформе «Школа на ладони». Она представляет собой единую сетевую площадку дополнительного образования, объединяющую конкурсно-образовательные программы для школьников и программы дополнительного профессионального образования учителей. Главная идея — рассказать о науке и технологиях доступно и популярно, а заодно дать школьникам возможность провести эксперимент и создать собственный проект (итоговый отчет или презентацию они присылают жюри). Именно такую цель преследует и доступное на платформе задание о CD-диске, авторами которого являются сотрудники Университета ИТМО.

«Когда мы готовили проект, мы сознательно хотели уйти от формата „возьмите ручку и что-то посчитайте“, а прийти к тому, чтобы дети смогли сами что-то сделать руками, провести собственное мини-исследование. Да, очень простое, на кухне, дома, зато сами, — рассказывает руководитель наноцентра лаборатории метаматериалов Университета ИТМО Михаил Мухин. — И могу сказать, что мы попали в формат. По наблюдениям „Школьной лиги“, удачный конкурсный проект — это тот, который интересен 30−40 детям. У нас осталось две недели до конца конкурса, а проекты по нашей задаче готовят уже 97 ребят».

По словам ведущего научного сотрудника кафедры нанофотоники и метаматериалов Романа Полозкова, в отличие от стандартного преподавания физики во многих школах, такой формат способен доказать, что эта дисциплина — вовсе не оторванная от жизни, непонятная многим наука.

«В современном школьном образовании этот предмет, к сожалению, массово стали преподавать как набор формул и аксиом. А зубрежка в физике — это самый неэффективный подход, — говорит он. — Эта наука прекрасна как раз своей мультидисциплинарностью: разные явления, которые внешне сильно отличаются, могут иметь одну и ту же природу. Поэтому для инженера в широком смысле этого слова — того, кто способен создавать природу, знание физики дает простор для фантазии».

Можно ли писать наноручкой и как школьнику решить реальные инженерные задачи от бизнеса

Уже в середине апреля победители конкурсного задания смогут посетить наноцентр лаборатории метаматериалов Университета ИТМО. Здесь они уже более наглядно смогут убедиться, как устроена поверхность CD-диска, узнают, почему крыло бабочки на самом деле серое, а также на наноуровне решат задачу «эффект лотоса» — смогут понять, как выглядит структура лепестка и почему он не впитывает влагу. Найти ответы на эти вопросы поможет специальный сканирующий зондовый микроскоп NanoTutor, разработанный резидентом Технопарка ИТМО компанией «НТ-СПб».

Университет ИТМО. NanoTutor
Университет ИТМО. NanoTutor

NanoTutor специально заточен под школьное и студенческое образование и проекты — это позволяет осуществить задумки ребят с помощью понятных, адаптированных специально для них нанотехнологий.

«Сканирующий зондовый микроскоп — идеальный прибор для использования в учебном процессе, поскольку на его примере юные исследователи видят, как достаточно абстрактные разделы физики, в том числе квантовой, химии, математики и IT начинают работать вместе. И в обычных лабораторных условиях они дают удивительные результаты», — рассказывает профессор кафедры нанофотоники и метаматериалов Александр Голубок.

Например, такой сканирующий зонд может работать, как наноручка: если взять зонд и пустить через него ток, проходя по поверхности материала и взаимодействуя с находящимся на ней слоем жидкости толщиной в несколько атомов, он может рисовать или написать на поверхности что-либо — все это происходит благодаря процессу окисления. Иван Мухин рассказывает: как-то в лаборатории решили проверить, какая площадь листа понадобится, чтобы написать на наномасштабе «Войну и мир». В результате подсчетов выяснилось, что для всех четырех томов необходимо не больше квадратного миллиметра.

Старшеклассники могут изучать нанотехнологии и на примере реальных инженерных задач от бизнеса. В июле 2017 года стартует новая проектная смена образовательного центра «Сириус». В этом году Университет ИТМО совместно с компанией НТ-СПб подготовил в рамках смены сразу четыре задания по профилю «Микромир и зондовая микроскопия», все проекты прошли серьезный отбор и были включены в итоговую программу.

Защита проектов школьников центре «Сириус». Источник: социальные сети
Защита проектов школьников центре «Сириус». Источник: социальные сети

Главная особенность проектов — ориентированность на реальный бизнес. Так, школьникам, например, предложат придумать метод защиты подлинности документа на наноуровне — подумать над созданием так называемой наноподписи, а также решить «задачу о титановых имплантатах». Известно, что титан используется для зубных протезов, однако плохо приживается в органической среде. Какое нанопокрытие необходимо создать, чтобы решить эту проблему? Как подчеркивают авторы проектных заданий, эти вопросы чрезвычайно актуальны для современного бизнеса, но пока не имеют четкого решения.

«Безусловно, у нас есть глобальные идеи и понимание, в каком направлении двигаться, но пока окончательного решения поставленных задач нет. Именно поэтому важно дать возможность решить их талантливым детям. Почему? Это взрослые, как правило, знают, что так не получится, а дети этого не знают. И порой они придумывают решения, которые могут оказаться более эффективными, чем те, что предлагают целые инженерные отделы», — рассказывает Михаил Мухин.

Помимо «Сириуса», Университет ИТМО примет участие и во всероссийской летней школе «Наноград», запланированной на август 2017 года. Здесь все задания также представляют собой бизнес-кейсы, а это значит, что у ребят появится возможность предложить идею, которая в будущем, возможно, будет положена в основу реальной разработки.

Как подчеркивает Михаил Мухин, уже несколько лет Университет ИТМО на собственном примере показывает, что наука действительно может идти в реальный бизнес. При этом научная и коммерческая составляющие в вузе идут без отрыва от процесса образования. Яркий пример того, как проект вышел из научной лаборатории в бизнес, — разработка, призванная улучшить технологию МРТ: благодаря созданным в лаборатории метаматериалам, которые помогли существенно усилить магнитные поля, ученые Университета ИТМО делают ее более быстрой, эффективной и безопасной для человека.

Лаборатория Центра нанофотоники и метаматериалов
Лаборатория Центра нанофотоники и метаматериалов

Где учиться физике и как строить карьеру?

По словам ведущего научного сотрудника кафедры нанофотоники и метаматериалов Романа Полозкова, времена, когда физика воспринималась школьниками как что-то оторванное от реальной жизни, прошли. Сегодня эта наука является базой для целого ряда востребованных инженерных специальностей, а ее знание может стать билетом в высокотехнологичный бизнес

Именно поэтому готовить будущих физиков и перспективных инженеров необходимо уже в 10−11 классе, дав им возможность участвовать в реальных проектах и проводить собственные исследования, отмечает научный сотрудник лаборатории метаматериалов Иван Мухин. Эти задачи вуз уже решает совместно со школьной лигой «Роснано» и образовательным центром «Сириус».

Применить свои успехи талантливые ребята смогут уже при поступлении на профильные специальности. Например, в конце прошлого года в Университете ИТМО был создан новый физико-технический факультет. На факультете уже есть несколько магистерских программ, а начиная со следующего учебного года абитуриенты смогут поступить на программу бакалавриата «Нанофотоника и квантовая оптика». Эта программа сочетает в себе фундаментальную подготовку по теоретической физике и математике, а также актуальным разделам современной физики.

Университет ИТМО. Михаил Мухин (справа)
Университет ИТМО. Михаил Мухин (справа)

Новый физико-технический факультет Университета ИТМО уже сотрудничает со многими профильными школами Санкт-Петербурга. Сегодня ученые вуза проводят адаптированные лекции для школьников на самые актуальные в современной физике темы, рассказывает инженер кафедры нанофотоники и метаматериалов Юлия Толстых. Такие лекции часто выходят за рамки школьной программы и расширяют знания школьников о современных тенденциях в науке. Например, часто темами лекций становятся последние исследования ученых факультета, которые только недавно были опубликованы в известных научных журналах.

«Чтобы университет мог готовить хороших магистрантов, нужно заниматься студентами в бакалавриате. Но, чтобы пришли сильные бакалавры, необходимо будущих студентов увлечь физикой и нанотехнологиями еще на школьной скамье. Тогда будущий абитуриент будет точно знать, куда и зачем он идет учиться, а высокая мотивация с первых лет обучения позволит вырасти в востребованного специалиста высочайшей квалификации», — говорит Иван Мухин.

В будущем, как подчеркивают специалисты лаборатории, выпускники новой программы бакалавриата смогут работать в высокотехнологичных компаниях, в том числе над коммерческими проектами в Университете ИТМО — в Технопарке вуза, а также на малых инновационных предприятиях (МИП), созданных на основе полученных университетом мегагрантов. Кроме того, ребята смогут продолжить свое обучение в магистратуре и аспирантуре как в России, так и за рубежом, а также получат возможность поехать на международные стажировки в США, Францию, Италию, Китай, Испанию, Финляндию, Швейцарию и другие страны.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба