Разработка внеклассного мероприятия
«Наступает эра графена»
Цели мероприятия:
повторить строение атома и явление аллотропии на примере углерода;
повысить интерес к предмету через изучение новых аллотропных модификаций углерода; обогатить кругозор и интеллект учащихся дополнительными знаниями;
воспитывать любознательность, самостоятельность;
развить познавательный интерес учащихся к предмету, умение выделять главное, сравнивать.
Практическое применение разработки: данное внеклассное мероприятие целесообразно проводить в рамках проведения недели химии в школе, Дня науки или как вечер для учащихся младших и средних классов, которые ещё не изучают химию.
Оборудование: мультимедиапроектор.
Ход мероприятия:
Вступительное слово учителя: Химия-это область чудес, в ней скрыто счастье человечества, величайшие завоевания разума будут сделаны именно в этой области (М. Горький).
Показ видеоролика «Аллотропия углерода».
Ведущий 1.
Несмотря на то, что аллотропия характерна для многих химических элементов, углерод является чемпионом по числу известных аллотропных модификаций.
До начала 60-х годов считалось, что в природе существуют только две кристаллические формы чистого углерода, а именно трех- и двумерные полимеры, т.е. алмаз и графит. Даже «аморфный» углерод долго причислялся к простым формам. Однако к настоящему времени установлено, что по своей структуре в саже, коксе, стеклообразном углероде и им подобных материалах он в разной степени приближается к графиту.
С 60-х годов прошлого века стала известна третья модификация углерода, структура которого состоит из одномерных линейных цепочек: наиболее стабильные из них С60 и С70 назвали фуллеренами в честь американского архитектора и изобретателя Ричарда Фуллера, предложившего строительные конструкции в виде полусфер или полусфероид, состоящих из фрагментов многогранных поверхностей.
Карбин - получен искусственным путем. Он представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета, построен из длинных цепочек атомов С, уложенных параллельно друг другу. Является полупроводником.
Из всех существующих, на данный момент, аллотропных форм углерода наибольший интерес представляют углеродные замкнуто-каркасные структуры, а в частности углеродные нанотрубки, с которым связываются в последнее время многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии и т.п.
На сегодняшний день известен человечеству самый тонкий материал, толщиной всего в один атом углерода – это графен, интерес к которому появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.
Основная часть (Показ презентации.)
Ведущий 2.
Графен был получен всего несколько лет назад и уже занял ведущее место среди новых суперматериалов, которые, по оценкам экспертов, могут радикально преобразовать современную электронику и нанотехнологию.
Этот двухмерный материал с гексагональной кристаллической структурой отличается необычными механическими и электрическими свойствами. По прочности на разрыв он превосходит сталь в 200 раз, а масса пленки графена толщиной в один атомный слой размером с футбольное поле составляет менее 1 г.
Все это делает графен весьма перспективным для реализации на его основе микросхем, измерительных устройств, биодатчиков, ультраконденсаторов, гибких дисплеев и других инновационных устройств, превосходящих по своим характеристикам современные приборы. (СЛАЙД 2)
Ведущий 1.
В 60-х годах прошлого века физики стали интенсивно изучать не только трехмерные, но и двумерные аллотропные модификации. В частности, например, атомы углерода могут располагаться в одной плоскости самым простым и естественным образом - в виде гексагональной решетки (то есть решетки, у которой все ячейки - шестиугольники). Уже тогда, кстати, эта идея была не нова - например, Оскар Клейн еще в 1929 году предсказывал такому материалу необычные квантовые свойства.
В это же время предпринимались попытки получить отдельно "куски" плоского углерода, однако они не привели к успеху. В результате многие ученые решили, что получение этого материала на практике в принципе невозможно из соображений стабильности (такое в физике происходит сплошь и рядом - например, составляющие адроны кварки не существуют по отдельности). (СДАЙД 3)
Ведущий 2.
Графен обладает высокой тепло- и электропроводностью. Главный параметр, определяющий это свойство, именуется подвижностью электронов. Эта величина показывает, насколько свободно носители заряда могут передвигаться внутри материала.
Дальнейшие измерения показали, что по подвижности электронов графен превосходит все известные твердые вещества.
Эксперименты с графеном и его производными доказали возможность получения на практике любых типов полупроводников и в последнее время всё говорят о том, что именно графен придёт на смену кремнию в наноэлектронике следующего поколения. Более того, именно графеном, как более качественным проводником тока и отличным проводником тепла также собираются заменять медные проводники в микросхемах будущего. Графену также предсказывают великое будущее в качестве основы элементов памяти и даже накопителей электрической энергии – суперконденсаторов и батарей питания. Да что там, разговоры нынче идут даже о том, что графен станет в будущем основой квантовой электроники. (СЛАЙД 4)
Ведущий 1.
У углеродных нанотрубок появился серьезный конкурент в области наноэлектроники. Это развернутая в двумерный лист углеродная нанотрубка или наноматериал графен, на основе которого уже созданы графеновые полевые транзисторы.
Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена, последний характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой наноэлектронных устройств.
При сворачивании графена в цилиндр получается одностенная нанотрубка. В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами. (СЛАЙД 5)
Ведущий 2.
Необычные свойств графена привлекают и разработчиков высокопроизводительных компонентов компьютерной техники, в том числе энергонезависимой оперативной памяти.
По утверждению разработчиков, объем графеновой памяти может превысить объем наиболее перспективной на сегодняшний день энергонезависимой флеш-памяти в пять раз, поскольку размер ее ячейки памяти меньше 10 нм, тогда как в флеш-памяти минимальный размер ячейки по-видимому не будет меньше 25 нм. Кроме того, новая ячейка памяти может иметь два контакта, а не три, как в современных устройствах памяти, что позволит послойно наращивать графеновые матрицы и, соответственно, увеличивать объем памяти с каждым слоем. К достоинствам графеновой памяти относится и достаточно широкий диапазон рабочей температуры – -75…200°С. (СЛАЙД 6)
Ведущий 1.
Как показали последние исследования, графен, одноатомный слой углерода, может быть интегрирован в живые клетки.
Это означает, что столь удивительный двумерный материал может быть в будущем использован в биоэлектронике.
В дальнейшем такой ход позволит «размыть» границу между электроникой и биологическими системами. Одно из возможных будущих применений такого «соседства» - создание гибрида мускула и электронного устройства с возможностью управления извне или же создание полноценного интерфейса для взаимодействия с клеткой любого типа.
Также полученные результаты могут использоваться при биомедицинском тестировании новых препаратов. (СЛАЙД 7)
Ведущий 2.
Возможные сферы использования графена — сенсорные экраны, солнечные батареи, накопители энергии, сотовые телефоны, и, наконец, — супербыстрые компьютерные чипы. Кроме процессоров, графен должен усовершенствовать и сенсорные экраны, ЖК-дисплеи и солнечные ячейки.
Сейчас компьютерные чипы в основном производятся из кремния, но в скором времени его заменит графен. (СЛАЙД 8)
Ведущий 1.
Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Графеновые транзисторы потенциально способны работать на более высокой скорости и выдерживать большую температуру.
Другая область применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки.
Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока. (СЛАЙД 9)
Ведущий 2.
Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Также следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD), рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади. (СЛАЙД 10)
Ведущий 1.
За получение и исследование свойств графена, Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена Андрею Гейму и Константину Новосёлову.
Константин Новоселов – стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике, а Андрей Гейм - первым ученым, удостоившимся настоящей Нобелевской премии после получения так называемой Игнобелевской (или Шнобелевской) премии.
Сегодня оба новоиспеченных лауреата «большой» Нобелевской премии работают бок о бок в Великобритании, в Манчестерском университете. (СЛАЙД 11)
Ведущий 2.
Но что самое интересное, графен можно получить в домашних условиях.
Как оказалось, для получения «материала будущего» необходимо немного – скотч (липкая лента), графит (например, грифель простого карандаша) и твердая подложка (металлическая или пластиковая).
На пресс-конференции Константин Новоселов вместо твердой подложки воспользовался экраном мобильного телефона. "Процесс производства" графена можно увидеть в ролике.
Конечно, количество графена, при использовании этой технологии, ничтожно. Но именно таким способом (механическим отщеплением или отшелушиванием слоев графита) были получены первые молекулы графена. (СЛАЙД 12 – ВИДЕОРОЛИК)
Ведущий 1.
На основе графена инженеры надеются создавать чрезвычайно производительные интегральные микросхемы, на порядки превосходящие современные кремниевые и германиевые полупроводниковые приборы. После открытия Гейма и Новоселова ученые научились не только производить более или менее большие куски графена, но и обнаружили невероятный потенциал данного материала.
Мы стоим еще в самом начале длинного пути. Представьте себе последствия хотя бы только компьютерной революции. IBM уже продемонстрировала 100 GHz транзистор на основе графена и заявила, что на горизонте уже маячит процессор мощностью в 1THz. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он, вероятно, станет для нас обычным материалом, подобно пластику в наши дни. За графеном будущее. Будущее, которое станет реальностью благодаря работе когда-то российских ученых Андрея Гейма и Константина Новоселова (СЛАЙДЫ 13 -14).
Ведущий 2.
Ничего не бывает напрасно, -
И в безделице есть своя суть.
Жизнь бывает порою прекрасна,
А порою - полнейшая жуть.
Но расставит всё время на место,
Всё совьётся в тугую спираль,
И уляжется плотно и честно
Углерод, формирующий сталь.
Ведущий 1.
Науки юношей питают,
Отраду старым подают,
В счастливой жизни украшают,
В несчастный случай берегут;
В домашних трудностях утеха
И в дальних странствах не помеха.
Науки пользуют везде:
Среди народов и в пустыне,
В градском шуму и наедине,
В покое сладки и в труде. (М.В. Ломоносов)
Заключительное слово учителя: Химия постоянно развивается. Каждый, кто посвятит себя служению этой науке, может внести свой вклад в разгадку тайн природы, создание новых, не существующих в природе материалов и веществ. Возможно, это будет кто - то из вас…
