Нанотехнологии для школьников: как создать собственную наноструктуру для устройств нового поколения
С 1 по 15 июня летняя практика для десятиклассников прошла на физико-техническом факультете Университета ИТМО. Ее участниками стали ученики физико-математических школ города, которые занимались как теоретической работой, так и разработкой собственных проектов, связанных с изучением и моделированием наноматериалов.
Формат проектной работы строится по такому же принципу, как и задачи, которые школьники решают в образовательном центре «Сириус» в Сочи. Двухнедельная практика включает несколько вводных занятий, в течение которых школьникам дают теоретические знания из области нанотехнологий, объясняют, что такое наноматериалы и каким может быть их применение. Также участники практики получают возможность изучить, как выполнять работу с помощью оптических, зондовых и электронных микроскопов, установок по фотолитографии и зондовой литографии. В рамках теоретической части школьников учат, как проводить обработку изображений, представлять данные, а также формировать собственный научный проект и презентовать его результаты.
«Целью нашей работы является оптимизация способов создания массивов упорядоченных наноструктур. Отсюда вытекает ряд задач, но прежде всего нам надо было подробно изучить литературу, ознакомиться с установками и узнать, как подготавливаются образцы, после чего сформировать необходимые нам наноструктуры, — рассказывает Алина Ефремова, участница практики, ученица ФМЛ №366. — Помимо создания наноструктур, в наши задачи входило проведение диагностики на различных аппаратах — на сканирующем зондовом микроскопе, на сканирующем электронном микроскопе и так далее. Конечно, требовалось выдвигать новые идеи для оптимизации процессов работы, в том числе за счет оптимизации старых проектов».
Как отмечает Михаил Жуков, сотрудник физико-технического факультета, научный руководитель проекта летней практики, большое внимание уделяется самостоятельной работе, ведь школьников уже сейчас важно научить эффективно планировать и вести научную деятельность.
«В этом году мы выполняли проект, целью которого является формирование упорядоченной наноструктуры для создания устройств нового поколения. Задачей ребят было создать такую установку, которая позволила бы создавать такие структуры быстро и недорого, или предложить идею, как это можно сделать, усовершенствовав установки, которые уже существуют, — продолжает Михаил Жуков. — В целом задания, которые давались в рамках практики, были направлены на то, чтобы ребята самостоятельно изучали какие-то сферы науки и могли планировать дальнейшую деятельность. При этом важно учесть, что проект междисциплинарен и включает в себя такие области, как физика, математика, химия, экономика и так далее. Именно поэтому мы изучали и зондовые микроскопы, то есть механическую обработку, и оптические способы диагностики и модификации поверхности. Большое внимание было уделено также теоретической стороне проекта и анализу рынка нанопродукции. Важно знать и химию процесса. Например, при фотолитографии наноструктур и при создании зондов для сканирующих зондовых микроскопов производят химические реакции».
Над проектом работали семь десятиклассников из нескольких физико-математических школ Петербурга. При этом, как отмечают ребята, изначально практически ничего не зная о наноструктурах, за время практики они смогли погрузиться в процесс реальной научной разработки.
«Здесь нас научили работать с приборами, делать проекты и презентации о результатах. Это важно, потому что все, кто здесь собрался, заканчивают физико-математические школы и уже присматриваются к своей дальнейшей профессии, выбирают, куда будут поступать. Сейчас я ориентируюсь в том числе на Университет ИТМО, поэтому мне было интересно посмотреть, как тут устроена научная деятельность, стоит ли сюда идти и правильно ли я выбрала факультет. Нам здесь дали много новой информации, и я не могу сказать, что зря потратила свое летнее время, я действительно получила колоссальный опыт», — говорит Арина Фаренбрух, участница практики, ученица ФМЛ №366.
Михаил Жуков добавляет, что по степени сложности научных задач практический опыт, получаемый на практике, можно сравнить с тем, что обычно приобретают студенты на последних курсах университета.
«Ребята проходят серьезную подготовку, получают хорошие теоретические знания, опыт и, самое главное, мотивацию продолжать работу. Уже потом, после окончания школы, они могут прийти в университет и уже с первого курса начинать заниматься наукой, а также получать результаты, которые впоследствии можно публиковать в хороших журналах», — говорит он.
Финальная презентация результатов работы состоялась 15 июня. Кроме того, этот же проект, который выполняли участники практики на физико-техническом факультете в Университете ИТМО, будет представлен в качестве задачи, которая будет предложена участникам летней смены в «Сириусе».
Больше чем физика: почему школьный курс интереснее, чем кажется, и можно ли с помощью шоколадки и микроволновки измерить скорость света
Другая группа школьников, проходящих практику на физико-техническом факультете, занималась компьютерным моделированием в нанофотонике. Теоретический курс включает темы уровня 10-11 класса школьной программы, однако именно эта, казалось бы, «простая физика» может быть применима к решению сложных научных задач, отмечает Ксения Барышникова, преподаватель курса, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.
Например, в прошлом году школьники, освоив теоретический курс и основы моделирования в программе CST Microwave Studio, смогли показать, что на основе достаточно простых объектов в оптике можно получить невидимую метаповерхность, а также построили дизайн такой метаповерхности. Летняя практика может стать основой дальнейшей научной работы. В прошлом году двое участников практики продолжили работу под руководством научных сотрудников физико-технического факультета Университета ИТМО.
Так, Максим Мягких, ученик школы № 292 с углубленным изучением физики и математики (руководитель — Ксения Барышникова) занялся изучением анизотропных асимметричных метаповерхностей. Итогом стала подготовка научной работы, которая была представлена на школьной конференции «Сахаровские чтения» и отмечена комиссией. Кроме того, в этом году школьник стал звездой Science Slam РОСНАНО в Петербурге. Максим рассказал о результатах своей работы и показал, как наноструктуры могут увеличивать КПД солнечных батарей. А осенью этого года доклад, основанный на совместном исследовании, Ксения Барышникова представит на международной научной конференции.
В этом году, с одной стороны, преподаватели летней практики повторили теоретический курс и занятия по численному моделированию, но с другой — поставили перед школьниками более прикладные задачи.
«В этом году мы решили поставить перед участниками практики другие задачи — не про метаматериалы и наноструктуры, а более прикладные, предполагающие проведение эксперимента без электронных микроскопов и высокоточных методов литографии. Мы ставили эксперименты с помощью микроволновки, антенн, проводов; например, исследовали, как с помощью обычной шоколадки и микроволновки измерить скорость света. Или, например, как с помощью проволоки и микроволновки измерить частоту, на которой работает микроволновка», — приводит пример Ксения Барышникова.
В группах по 2-3 человека школьники выполняли проекты, результаты которых они представили 15 июня, в день окончания практики. Все проекты объединены общей темой «Колебания и волны», однако каждый из них посвящен отдельной задаче.
Как отмечает Ксения Барышникова, от школьников, которые приходят на занятия, не требуются специализированные знания. Уже здесь, на практике, они смогут подтянуть как теоретические знания, так и по-новому подойти к проведению экспериментов и решению более сложных задач.
«Мы разрабатываем свой курс именно в расчете на то, что дети придут из разных школ, — говорит она. — В целом, цель этой практики состоит в том, чтобы показать ребятам, как мы работаем на физико-техническом факультете. Есть много разных точек зрения на то, как должны проводиться такие летние практики. Многие, например, считают, что школьникам пока рано показывать научную работу. Я не согласна с этой точкой зрения, и пример Максима Мягких подтверждает, что ребята могут вполне успешно начать заниматься наукой уже в школьном возрасте. Кроме того, лично мне кажется очень важным показать школьникам, чем учебные задачи отличаются от научных и что на нашем факультете есть возможность начать научно-исследовательскую работу действительно рано, буквально с первых курсов, если не со школы».
Синтез наночернил для струйной печати и получение умных материалов — как устроена летняя практика в химико-биологическом кластере Университета ИТМО
Традиционная летняя практика для учащихся десятых классов школ города в этом году прошла и в химико-биологическом кластере Университета ИТМО. Здесь школьники также сразу погружаются в проектную деятельность и решают научные задачи под руководством куратора, используя экспериментальную и приборную базы кластера. В результате участники готовят проекты, которые впоследствии они могут представить на внешних конкурсах и конференциях.
Как отмечает Павел Кривошапкин, директор научно-образовательного Центра химического инжиниринга и биотехнологий Университета ИТМО, практика ориентирована на ребят, обучающихся в сильных школах с естественнонаучным уклоном и выразивших желание выполнять проекты по химическим и биологическим направлениям. Работа длится две недели, в этом году в практике принимают участие 20 школьников из ФМЛ №30, ФМЛ №239, ФМЛ 366 и школы №77 с углубленным изучением химии, которые занимаются в два потока.
Перед каждым учеником ставится отдельная задача, которую он выполняет под руководством определенного куратора. Задачи разнообразные и включают как теоретическую подготовку, так и работу в лаборатории. В списке проектов, которые выполняют школьники на практике — создание тромболитического лекарства, получение умных материалов, синтез наночернил для струйной печати, получение светящейся паутины или магнитных бактерий и многое другое.
Результаты работы школьники также представляют на внешних конкурсах и конференциях. Так, два участника практики уже принимали участие во всероссийских мероприятиях для школьников — Всероссийской интернет-олимпиаде по нанотехнологиям «Нанотехнологии — прорыв в будущее!» и конкурсе «Поддержка научного и инженерного творчества школьников старших классов Санкт-Петербурга», где заняли призовые места.
