МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Физическая химия наноструктурированных функциональных и биомиметических материалов

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра физической и неорганической химии
Направление подготовки04.04.01. Химия
ПрофильНаноинжиниринг функциональных и биомиметических материалов
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план04_04_01_НФБМ-2-2019
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 64
самостоятельная работа 17
контроль 27
Виды контроля по семестрам
зачеты: 3

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 2 (3) Итого
Недель 17
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 46 46 46 46
Сам. работа 17 17 17 17
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 108 108 108 108

Программу составил(и):

Рецензент(ы):

Рабочая программа дисциплины
Физическая химия наноструктурированных функциональных и биомиметических материалов

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 04.04.01 Химия (уровень магистратуры) (приказ Минобрнауки России от 23.09.2015г. №1042)

составлена на основании учебного плана:
04.04.01 Химия
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра физической и неорганической химии

Протокол от 05.07.2018 г. № 13
Срок действия программы: 2018-2019 уч. г.

Заведующий кафедрой
Безносюк Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, профессор


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра физической и неорганической химии

Протокол от 05.07.2018 г. № 13
Заведующий кафедрой Безносюк Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, профессор


1. Цели освоения дисциплины

1.1.формирование современных физико-химических представлений у химиков исследователей и химиков преподавателей о быстро развивающейся области нанотехнологий, как совокупности приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве, использовании a) наноструктур, b) устройств и c) систем, включающих a) целенаправленный контроль и b) модификацию формы, размера,взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм), для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.09

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-1 способностью использовать и развивать теоретические основы традиционных и новых разделов химии при решении профессиональных задач
ОПК-2 владением современными компьютерными технологиями при планировании исследований, получении и обработке результатов научных экспериментов, сборе, обработке, хранении, представлении и передаче научной информации
ПК-2 владением теорией и навыками практической работы в избранной области химии
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.теоретические основы химии функциональных и биомиметических материалов
возможности использования современных информационных технологий в науке; системы сбора, обработки и хранения химической информации; виды программного обеспечения для представления результатов химических исследований, принципы создания, построения и виды компьютерных презентаций в области физической химии функциональных и биомиметических материалов
основы применения современной подходов при проведении научных исследований в сфере физикохимии функциональных и биомиметических материалов
3.2.Уметь:
3.2.1.применять теоретические основы химии для решения профессиональных задач физической химии функциональных и биомиметических материалов
использовать стандартные компьютерные программ и банки данных; анализировать результаты математической обработки научных данных с целью определения их достоверности и области использования; использовать презентационную графику для визуализации результатов теоретического и экспериментального исследований химии функциональных и биомиметических материалов
анализировать возможности современной аппаратуры при проведении научных исследований в сфере физикохимии функциональных и биомиметических материалов
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.навыками самостоятельного получения теоретических знаний для решения профессиональных задач физической химии функциональных и биомиметических материалов
методами обработки информации, системами мультимедиа, навыками создания компьютерных презентаций, в том числе интерактивных; всеми видами научного общения в сфере химии функциональных и биомиметических материалов
навыками использования современной аппаратуры компьютерного эксперимента при проведении научных исследований в области физикохимии функциональных и биомиметических материалов

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение
1.1. Предмет нанонаук. Основные этапы развития нанонаук и нанотехнологий. Классификация наноструктур, наноустройств, наносистем. Лекции 3 1 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
1.2. Основные этапы развития нанотехнологий. Классификация наноструктур, наноустройств, наносистем. Сам. работа 3 1 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
Раздел 2. Экспериментальные и теоретические методы физической химии в изучении, проектировании, производстве, использовании наноструктур, наноустройств и наносистем.
2.1. Экспериментальные методы наноструктурной химии. Введениев сканирующую зондовую микроскопию (СЗМ). Техника СЗМ. Принципы работы СЗМ. Сканирующие элементы СЗМ. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образцаы СЗМ. Защита приборов СЗМ от внешних воздействий. Формирование и обработка СЗМ изображения. Методы СЗМ. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). Атомно-силовая микроскопия (АСМ). Методы СЗМ. Электросиловая микроскопия (ЭСМ). Магнито-силовая микроскопия (МСМ). Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ). Экспериментальные методы изучения фуллеренов. Свойства фуллеренов. Получение фуллеренов. Теоретические методы изучения фуллеренов. Основные методы кв-хим. моделирования Модели образования фуллеренов. Методы получения и свойства нанокристаллических материалов. Углеродные нанотрубки. Нанохимия металлов. Нанокриохимия. Методы получения и свойства супрамолекулярных наносистем. Супрамолекулярные взаимодействия. Экспериментальные и теоеретические методы изучения нанокатализаторов и нанокатализа химически Лекции 3 4 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
Раздел 3. Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц – мультистабильных трансформеров вещества.
3.1. Целенаправленный контроль и модификация формы, размера, взаимодействия и интеграции наночастиц. Физико-химические мультиструктуры вещества. Система базовых элементов топологии мультиструктур вещества. Силы связи в мультиструктурах вещества: силы когезии наночастиц, силы адгезии между наночастицами. Особенности манипулирования силами связи в нанотехнологиях. Функциональная организация мультиструктур наноматериалов. Самоорганизация термостатистических макросистем наночастиц. Соотношения температурных неопределенностей для термостатистических процессов и флуктуации энергии, ограничивающие сверху размер наноструктурных частиц. Функциональные прцессы самоорганизации наночастиц. Роль квантовых измерений в дизайне наносистем. Мультитрансформеры наносистем. Лекции 3 6 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
Раздел 4. Компьютерные нанотехнологии: моделирование и компьютерный расчет наноструктур вещества.
4.1. Моделирование и компьютерный расчет наноструктур вещества. Моделировании наноструктурных процессов методом статистических операторов и матриц плотности. Математический аппарат. Вычисление средних значений физико-химических величин. Моделировании наноструктурных процессов методом статистических операторов и матриц плотности. Основы теории функционала плотности.Расчёт сил связи методом нелокального функционала плотности. Моделировании наноструктурных процессов методом статистических операторов и матриц плотности. Матрицы плотности в теории измерений наночастиц. Матрицы плотности в статистичкой термоднамике наночастиц. Моделировании наноструктурных процессов методом квантовой топологии. Математический аппарат. Квантовая топология атомов. Моделировании наноструктурных процессов методом квантовой топологии. Квантовая топология лоджий. Моделировании наноструктурных процессов квантово-полевыми методом Основы термополевой динамики и квантово-полевой химии конденсированных состояний. Моделировании наноструктурных про Лекции 3 6 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
Раздел 5. Компьютерный эксперимент в изучении, проектировании наноустройств и наносистем.
5.1. Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектированию самосборки и самоорганизации нанокластеров железа, кобальта и никеля. Лабораторные 3 12 ОПК-1, ОПК-2, ПК-2 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.2. Подготовка к лабораторной работе "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектированию самосборки и самоорганизации нанокластеров железа, кобальта и никеля." Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.3. Оформление отчета по лабораторной работе по теме "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектированию самосборки и самоорганизации нанокластеров железа, кобальта и никеля." Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.4. Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектирования самосборки и самоорганизации кластеров и их наносистем. Лабораторные 3 12 ОПК-1, ОПК-2, ПК-2 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.5. Подготовка к лабораторной работе "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектирования самосборки и самоорганизации кластеров и их наносистем" Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.6. Оформление отчета по лабораторной работе по теме "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектирования самосборки и самоорганизации кластеров и их наносистем" Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.7. Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектирования фемтосекундной корпоративной самосборки и самоорганизации нанотрасформеров и их наносистем Лабораторные 3 12 ОПК-1, ОПК-2, ПК-2 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.8. Подготовка к лабораторной работе "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектирования фемтосекундной корпоративной самосборки и самоорганизации нанотрасформеров и их наносистем." Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.9. Оформление отчета по лабораторной работе по теме "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектирования фемтосекундной корпоративной самосборки и самоорганизации нанотрасформеров и их наносистем" Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.10. Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектированию самоорганизации нано-био-систем Лабораторные 3 10 ОПК-1, ОПК-2, ПК-2 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.11. Подготовка к лабораторной работе "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектированию самоорганизации нано-био-систем" Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
5.12. Оформление отчета по лабораторной работе по теме "Проведение компьютерного эксперимента по дизайну и проектированию самоорганизации нано-био-систем" Сам. работа 3 2 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2
Раздел 6. Заключение
6.1. Заключение. Современные тенденции развития нанотехнологий Лекции 3 1 ОПК-1 Л2.1, Л1.1, Л2.2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
приведены в ФОС в приложении
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
не предусмотрены
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
приведен в приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Л. В. Фомина [и др.] Физическая химия наноструктурных материалов электроники и спинтроники на основе полупроводниковых соединений A[[p]] III [[/p]] B [[p]] V [[/p]]: монография Изд-во АлтГУ, 2013 elibrary.asu.ru
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 С. А. Безносюк [и др.] Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества: учеб. пособие для вузов Томск : Изд-во НТЛ, 2005
Л2.2 Елисеев А. А. , Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы: Физматлит, 2010 biblioclub.ru
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 http://www.ntmdt.ru
Э2 Электронный ресурс научной школы «Фундаментальные основы нанонаук и прорывные нанотехнологии конденсированного состояния» [точка доступа http://compnano.1gb.ru/
6.3. Перечень программного обеспечения
19.Доступ онлайн Электронная библиотека eLIBRARY.RU
Microsoft Windows
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
1. http://www.chem.asu.ru/
2. http://www.chem.port.ru/
3. http://www.ars.org/portalchemistry/
4. http://www.pstlib.nsc.ru/
5. http://www.e.lanbook.com/
6. http://www.lib.asu.ru/

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
504К учебно-исследовательская лаборатория компьютерного нанобиодизайна - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Доска маркерная; столы учебные на 10 посадочных мест; проектор короткофокусный мультимедийный ЕВ-420 1 ед.; экран; компьютеры: марка RAMEC модель G161 10G\03Y4 - 8 единиц; проектор: марка BENQ - 1 единица;

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Как работать над конспектом после лекции
Какими бы замечательными качествами в области методики ни обладал лектор, какое бы большое значение на занятиях ни уделял лекции слушатель, глубокое понимание материала достигается только путем самостоятельной работы над ним.
Самостоятельную работу следует начинать с доработки конспекта, желательно в тот же день, пока полученная информация еще хранится в памяти. Как правило, через 10 ч после лекции в памяти остается не более 30-40 % материала.
С целью доработки необходимо, в первую очередь, прочитать записи, восстановить текст в памяти, а также исправить описки, расшифровать не понятные сокращения, заполнить пропущенные места, понять текст, вникнуть в его смысл. Далее прочитать материал по рекомендуемой литературе, разрешая в ходе чтения, возникшие ранее затруднения, вопросы, а также дополнения и исправляя свои записи.
Записи должны быть наглядными, для чего следует применять различные способы выделений. В ходе доработки конспекта углубляются, расширяются и закрепляются знания, а также дополняется, исправляется и совершенствуется конспект.
Подготовленный конспект и рекомендуемая литература используется при подготовке к практическому занятию. Подготовка сводится к внимательному прочтению учебного материала, к выводу с карандашом в руках всех утверждений и формул, к решению примеров, задач, к ответам на вопросы, предложенные в конце лекции преподавателем или помещенные в рекомендуемой литературе. Примеры, задачи, вопросы по теме являются средством самоконтроля.
Непременным условием глубокого усвоения учебного материала является знание основ, на которых строится изложение материала. Обычно преподаватель напоминает, какой ранее изученный материал и в какой степени требуется подготовить к очередному занятию. Эта рекомендация, как и требование систематической и серьезной работы над всем лекционным курсом, подлежит безусловному выполнению. Потери логической связи как внутри темы, так и между ними приводит к негативным последствиям: материал учебной дисциплины перестает основательно восприниматься, а творческий труд подменяется утомленным переписыванием. Обращение к ранее изученному материалу не только помогает восстановить в памяти известные положения, выводы, но и приводит разрозненные знания в систему, углубляет и расширяет их. Каждый возврат к старому материалу позволяет найти в нем что-то новое, переосмыслить его с иных позиций, определить для него наиболее подходящее место в уже имеющейся системе знаний. Неоднократное обращение к пройденному материалу является наиболее рациональной формой приобретения и закрепления знаний. Очень полезным в практике самостоятельной работы, является предварительное ознакомление с учебным материалом. Даже краткое, беглое знакомство с материалом очередной лекции дает многое. Студенты получают общее представление о ее содержании и структуре, о главных и второстепенных вопросах, о терминах и определениях. Все это облегчает работу на лекции и делает ее целеустремленной.


Подготовка к лабораторной работе
Теоретическая подготовка
Теоретическая подготовка необходима для проведения компьютерного эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.
Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание сущности процесса. Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы. Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Теоретическое введение.
4. Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин).
5. Расчеты – окончательная запись результатов работы.
6. Вывод.


При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.
Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например, точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени – от своевременности включения и выключения часового механизма.
Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, посуды, реактивов, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.
Внимательное изучение методических указаний поможет выполнить работу.
Небрежное оформление отчета, исправление уже написанного недопустимо.
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов

1. К выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в лаборатории. Кроме описания работы, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.
2. При проведении эксперимента результаты измерений и расчетов записывайте четко и кратко в заранее подготовленные таблицы.
3. При обработке результатов измерений:
А) помните, что точность расчетов не может превышать точности прямых измерений;
Б) результаты измерений лучше записывать в виде доверительного интервала.
4. Отчеты по лабораторным работам должны включать в себя следующие пункты:
• название лабораторной работы и ее цель;
• краткое теоретическое обоснование;
• порядок выполнения лабораторной работы;
• далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно выше приведенному порядку записываются требуемые теоретические положения, результаты измерений, обработка результатов измерений, заполнение требуемых таблиц и графиков, по завершении работы делается вывод.
5. При подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.


Как работать с рекомендованной литературой
Успех в процессе самостоятельной работы, самостоятельного чтения литературы во многом зависит от умения правильно работать с книгой, работать над текстом.
Опыт показывает, что при работе с текстом целесообразно придерживаться такой последовательности. Сначала прочитать весь заданный текст в быстром темпе. Цель такого чтения заключается в том, чтобы создать общее представление об изучаемом (не запоминать, а понять общий смысл прочитанного) материале. Затем прочитать вторично, более медленно, чтобы в ходе чтения понять и запомнить смысл каждой фразы, каждого положения и вопроса в целом.
Чтение приносит пользу и становится продуктивным, когда сопровождается записями. Это может быть составление плана прочитанного текста, тезисы или выписки, конспектирование и др.
Выбор вида записи зависит от характера изучаемого материала и целей работы с ним.
Если содержание материала несложное, легко усваиваемое, можно ограничиться составлением плана. Если материал содержит новую и трудно усваиваемую информацию, целесообразно его законспектировать.
План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный план вполне заменяет конспект.
Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Различаются четыре типа конспектов.
План-конспект – это развернутый детализированный план, в котором достаточно подробные записи приводятся по тем пунктам плана, которые нуждаются в пояснении.
Текстуальный конспект – это воспроизведение наиболее важных положений и фактов источника.
Свободный конспект – это четко и кратко сформулированные (изложенные) основные положения в результате глубокого осмысливания материала. В нем могут присутствовать выписки, цитаты, тезисы; часть материала может быть представлена планом.
Тематический конспект – составляется на основе изучения ряда источников и дает более или менее исчерпывающий ответ по какой-то схеме (вопросу).
В процессе изучения материала источника, составления конспекта нужно обязательно применять различные выделения, подзаголовки, создавая блочную структуру конспекта. Это делает конспект легко воспринимаемым, удобным для работы.


Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов
Самостоятельная работа студентов (СРС) под руководством преподавателя является составной частью «самостоятельная работа студентов», принятого в высшей школе. СРС под руководством преподавателя представляет собой вид занятий, в ходе которых студент, руководствуясь методической и специальной литературой, а также указаниями преподавателя, самостоятельно выполняет учебное задание, приобретая и совершенствуя при этом знания, умения и навыки практической деятельности. При этом взаимодействие студента и преподавателя приобретает вид сотрудничества: студент получает непосредственные указания преподавателя об организации своей самостоятельной деятельности, а преподаватель выполняет функцию руководства через консультации и контроль.
Познавательная деятельность студентов при выполнении самостоятельных работ данного вида заключается в накоплении нового для них опыта деятельности на базе усвоенного ранее формализованного опыта (опыта действий по известному алгоритму) путем осуществления переноса знаний, умений и навыков. Суть заданий работ этого вида сводится к поиску, формулированию и реализации идей решения. Это выходит за пределы прошлого формализованного опыта и в реальном процессе мышления требует от обучаемых варьирования условий задания и усвоенной ранее учебной информации, рассмотрения ее под новым углом зрения. В связи с этим самостоятельная работа данного вида должна выдвигать требования анализа незнакомых студентом ситуаций и генерирования новой информации для выполнения задания. В практике обучения в качестве самостоятельной работы чаще всего используются домашние задание, отдельные этапы лабораторных и семинарско-практических занятий.

Методические указания для подготовки к зачету
Подготовка к зачету способствует закреплению, углублению и обобщению знаний, получаемых, в процессе обучения, а также применению их к решению практических задач. Готовясь к зачету, студент ликвидирует имеющиеся пробелы в знаниях, углубляет, систематизирует и упорядочивает свои знания. На зачете студент демонстрирует то, что он приобрел в процессе обучения по конкретной учебной дисциплине.
Требования к организации подготовки к зачету те же, что и при занятиях в течение семестра, но соблюдаться они должны более строго. Вначале следует просмотреть весь материал по сдаваемой дисциплине, отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при этом листы опорных сигналов.
В период подготовки к зачету студенты могут получить у преподавателя индивидуальные и групповые консультации.
Подготовка к зачету – это завершающий, наиболее активный этап самостоятельной работы студента над учебным курсом.