О проектной смене «Большие вызовы»
Обучение школьников проходило на проектной смене «Большие вызовы» в образовательном центре «Сириус» в Сочи. Участвовать в ней могли школьники старших классов, которые стали победителями Всероссийского конкурса проектных и исследовательских работ в области физико-математических и естественных наук, технологической сферы. Вместе с наставниками ребята реализовывали различные проекты в областях: большие данные, новые материалы, когнитивные исследования, освоение мирового океана, спутники и пилотируемая космонавтика и в других, в том числе в области нанотехнологий.
«Особенность “Больших вызовов” в том, что это именно проектная деятельность. Перед школьниками были поставлены конкретные задачи, при этом разработать методику их решения, найти нужную технологию они должны были сами. Таким образом, школьник должен был не только освоить серьезные знания и практические навыки, но и научиться их добывать. Сначала для некоторых детей это было сложно, потому что многие привыкли делать то, что им говорят. А здесь интерес был именно в том, что никто не знал, какая технология сработает для той или иной задачи, нужно было вести настоящий научный поиск. То есть дети поняли, что в исследованиях им не будут указывать и преподносить знания — эти знания нужно получить», — прокомментировал Владимир Пшеничнов, наставник смены «Большие вызовы» по направлению «Нанотехнологии», доцент кафедры физики Университета ИТМО.
Большой упор на проектной смене также делался на развитие навыков работы в команде. Зачастую ребята разделяли обязанности между собой, что для некоторых участников было необычно: многие привыкли решать все задачи самостоятельно, как на олимпиадах. Поэтому школьникам нужно было учиться определять сильные и слабые стороны каждого члена команды, чтобы эффективно распределять обязанности.
«Ребята представляли свои проекты в ходе многократных очных выступлений и финальной ярмарки проектов, на которой были представлены прототипы и рекламные материалы команд: постеры, брошюры, видеоролики. В наш проект входили научная, технологическая, экономическая, социальная и маркетинговая составляющие, а также видеомонтаж, поэтому проект получился очень междисциплинарным, что выгодно отличало его среди других команд. Стоит отметить, что у ребят уже имелся определенный опыт проектной и научной деятельности, поэтому уровень проектов, которые они сделали в “Сириусе”, смело можно приравнять к уровню студенческих дипломных работ», — отмечает наставник смены «Большие вызовы» по направлению «Нанотехнологии» Михаил Жуков, инженер кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Проекты школьников по нанотехнологиям: создание массивов упорядоченных наноструктур
Этот проект школьники разрабатывали под руководством Михаила Жукова и его помощницы, студентки второго курса физико-технического факультета Полины Шабан. Сегодня массивы упорядоченных наноструктур постепенно начинают внедряться в производственный цикл при разработке современных приборов. В частности, с помощью подложек с такими структурами возможна разработка сверхъярких диодных панелей освещения, высокоэффективных солнечных батарей, экранов нового поколения, метаматериалов, накопителей данных с высокой плотностью записи информации, нанофильтров для очистки жидкостей и проведения медицинских анализов и других. В качестве основного метода создания упорядоченных подложек школьниками была выбрана оптическая фотолитография с использованием микро- и наносфер. Для этого на подложку наносится светочувствительный материал — фоторезист, а на поверхность резиста с помощью метода центрифугирования наносился слой из микросфер.
«Подбирались такие условия, что слой имел толщину всего в одну сферу. При засветке плоской электромагнитной волной каждая сфера работает как микролинза, фокусируя падающее излучение в пятно субмикронного размера. Таким образом на поверхности резиста можно провести литографию массива структур с субмикронными или наноразмерными элементами. В качестве источника излучения использовался обычный ультрафиолетовый диод. После снятия (проявления) резиста сферы и часть резиста удаляются, формируя массив микро- или наноуглублений», — объяснил Михаил Жуков.
Чтобы освоить эту технологию, школьники подготовили специальную комнату, в которую не проникал внешний свет, потому что внешняя «засветка» может модифицировать структуру фоторезиста и помешать процессу литографии.
Перед ребятами стояла задача разработать дешевую технологию создания массивов упорядоченных наноструктур, однако школьники решили пойти дальше и сделать прототип структуры с конкретным назначением — нанофильтр, который может быть использован для эффективной очистки жидкостей, анализа крови и т.п. Был выбран именно этот прибор, так как социальный опрос, проведенный школьниками в «Сириусе», показал, что люди считают эту технологию наиболее востребованной в обществе.
При этом в конце проектной смены каждая команда защищала свой проект на открытой презентации перед экспертами, а также показала его всем желающим на научной ярмарке. Для этого ребята должны были рассчитать экономическую составляющую проектов, проанализировать рынки — понять, какие есть аналоги, подготовить информационные буклеты и прототипы. То есть школьники обучались представлять свое исследование на языке, который понимают инвесторы и руководители компаний.
«В начале была обрисована проблемная область и задача проекта, которую нужно было решить в рамках смены. Некоторые ребята впервые столкнулись с такой проблемой, поэтому сначала было проведено несколько ознакомительных лекций по нанотехнологиям и литографии. К подложке, которую мы должны были создать, были предъявлены определенные функциональные требования, поэтому несколько первых дней мы посвятили мозговому штурму и обсуждению наиболее оптимальных идей для выполнения проекта. В качестве одного из наиболее интересных решений был выделен метод фотолитографии с использованием прозрачных сфер (микролинз) в качестве рабочего шаблона, плотная упаковка и засветка которых позволяла бы добиться желаемой структуры нано- и микро углублений на подложке. Другим интересным решением, помимо множества других идей, являлось использование биомиметики — переноса существующих в природе свойств биоматериалов на искусственные структуры. В частности, было решено провести снятие слепков со структуры лепестков роз, которые имеют схожую структуру со структурой листьев лотоса, имеющих супергидрофобные свойства благодаря хитрой упорядоченной микроструктуре на их поверхности», — сказал Михаил Жуков.
Проекты школьников по нанотехнологиям: разработка газового сенсора на основе графена
Принцип детектирования присутствия газов может быть основан на изменении проводимости активного слоя, адсорбирующего молекулы газа. Электрический потенциал адсорбированных молекул способен влиять на транспорт носителей заряда в активном слое. Понятно, что в такой геометрии толщина активного слоя должна быть как можно меньше, чтобы изменение электрического потенциала на поверхности слоя приводило к заметному изменению проводимости всего слоя. Именно поэтому газовый сенсор на основе двумерного материала — графена — обладает очень высокой чувствительностью, то есть с его помощью можно различать в воздухе различные химические вещества, даже если их концентрация очень мала. Перед группой воспитанников «Сириуса» под руководством Владимира Пшеничнова и его помощницы, студентки второго курса физико-технического факультета Татьяны Юровой, стояла задача разработать технологию получения такого газового сенсора в условиях отсутствия дорогого высокотехнологичного оборудования.
Сам графен дети получали механическим расщеплением, то есть с помощью скотч-метода, как это делали в свое время лауреаты Нобелевской премии за эксперименты с графеном Андрей Гейм и Константин Новоселов. Со скотча они переносили несколько слоев графита на подложку, и тут начиналось самое сложное: с помощью оптического микроскопа школьники должны были найти слой графена размером 50-80 мкм и определить, является ли тот или иной кусочек графеном или графитом, то есть какой он толщины. Графен — это атомарный слой графита.
«Это непростая задача, потому что в рамках имеющегося в “Сириусе” оборудования нет четкой методики, как определять многоатомный это слой или атомарный. Дети решали эту задачу по относительной интенсивности пропускания света через слой графена в оптическом микроскопе — обычно этот навык приходит только с опытом. То есть детям нужно было научиться “на глаз” определять приблизительное количество слоев. Затем была задача не менее легкая — подвести к графену микроконтакты, чтобы информация об изменении проводимости графена могла считываться регистрирующими приборами путем измерения ВАХ. Для детей это было сложно, потому что надо было пробовать разные методы, и никто не знал, подойдет ли тот или иной метод. Многие ребята расстраивались, когда что-то не получалось. Кто-то пытался доработать метод, кто-то бросал. Это уже как в настоящей науке», — подчеркнул Владимир Пшеничнов.
Так школьники опробовали различные методы осаждения металла на подготовленную по трафарету поверхность, сделанную с помощью фотолитографии по фотошаблону, а также попробовали использовать для создания прототипа сенсора проводящий клей и другие техники.
«Есть важное отличие проектной методики обучения детей от классической олимпиадной. Предметные олимпиады — это традиционный способ поиска талантливых детей, а проектные — это, скорее, метод обучения. Там часто нет победителей, все так или иначе создали продукт, прототип. У кого-то он чуть “быстрее”, у кого-то “медленнее”, но все участники многому научились. Иными словами, все дети талантливы, но каждый в разной сфере, и наставнику важно только понять, в чем этот талант заключается. И в этом смысле все участники проектов — победители, потому что они находят себя. На проектной смене все команды разработали свои прототипы устройств с применением нанотехнологий, но многие школьники высказали желание приехать в Университет ИТМО на осенних каникулах, чтобы доработать свои проекты», — отметил Михаил Мухин, руководитель наноцентра лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.
Участница проекта «Разработка газового сенсора на основе графена» Дарья Кравцунова, ученица московской школы им. маршала В.И. Чуйкова, подчеркнула, что в ходе работы она научилась самостоятельно придумывать решение поставленной задачи.
«Никто не дал нам план работы, мы должны были сами его построить. Первые несколько дней мы занимались мозговым штурмом: накидывали идеи, выбирали подходящие, обсуждали их. И в итоге мы сами построили план нашей работы, сами выбрали нужные методы, сами проводили эксперименты, и в итоге тоже сами разработали технологию. Это стало для меня самым важным и полезным опытом. Я начала интересоваться микро- и наномиром прошлым летом, и у меня была проектная работа. Я поняла, что в этой области еще очень много неизученного, что перед наукой стоит огромное количество интересных задач. Исследования в этой области могут изменить жизнь людей. Как говорил Фейнман: "Там, внизу, полно места". Нанотехнологии — одно из самых серьезных моих увлечений, и пока в будущем я планирую работать в этой области», — поделилась впечатлениями Дарья.
Екатерина Смирнова, ученица лицея №130 Уральского федерального университета добавляет, что участие в проектной смене также стало хорошей возможностью поработать на современном оборудовании.
«Все вместе мы проделали большую научную работу, но помимо этого мы научились образовательным функциям: работать на современном оборудовании в лабораториях “Сириуса”, правильно распределять роли в команде, взаимодействовать и выстраивать отношения в команде, правильно презентовать свой проект, верно доносить суть проделанной работы. Нанотехнологии — это не только 10^(-9) метра, это целый мир. Сейчас в самом разгаре век нанотехнологий, благодаря им можно сделать все, что угодно, и взаимодействовать с учеными из других областей науки. Наступил новый этап в развитии разумной жизни на Земле: теперь мы можем управлять отдельными атомами. В будущем я планирую заниматься нанотехнологиями в Университете ИТМО!», — говорит Екатерина.
