Курс юного кристаллографа

11.02.201907.04.2019
В современном мире люди каждый день используют различные приборы, в основе которых лежит использование различных моно- и поликристаллов, о чем мы с вами порой даже не задумываемся: процессоры в телефонах и компьютерах, сапфировые стекла на экранах мобильных устройств, бормашина у стоматолога, алмазные диски на угловой шлифовальной машине (в простонародье "болгарка") и многое другое. В рамках данного курса вам предстоит расширить ваши знания об областях применения и свойствах различных кристаллов, научиться делать литературный обзор статей, освоить методы для проведения научных исследований, разработать установку по выращиванию кристаллов и продемонстрировать результаты её работы.

1. Содержание программы

Требования к материалам:
  • Участие в данном курсе могут принимать учащиеся 9-11 классов, но при желании курс открыт для школьников любого возраста;
  • Желательно, но необязательно владение английским языком на уровне, достаточном для самостоятельной работы с англоязычными ресурсами;
  • Необходимым является хорошее знание физики и/или химии для понимания процессов, протекающих при росте кристаллов;
  • Возможно, при создании установок потребуется использование электронных приборов, программирование микроконтроллеров и прочее — зависит от фантазии и смекалки участников;
  • Базовый уровень владения пакетом офисных программ Microsoft/MacOS (Word, PowerPoint, Excel/Pages, Keynote, Numbers);
  • Присылаемые презентации должны быть выполнены в форматах .ppt/.pptx, письменный отчет в формате .doc/.docx(шрифт TimesNewRoman, 12 кегль, межстрочный интервал 1,5).

2. Ожидаемые результаты обучения в рамках курса

Что будут делать участники?
  • Изучать научную литературу и оформлять в виде литературного обзора;
  • Работать с предоставленными материалами и самостоятельно искать дополнительные источники информации;
  • Самостоятельно формулировать цели и задачи исследования;
  • Разрабатывать установки по выращиванию кристаллов;
  • Выращивать кристаллы на созданной установке, изучать их физические свойства и обосновывать их, опираясь на физические законы;
  • Создавать финальный отчет в виде короткой, информативной и красивой презентации.
Что узнают и чему научатся участники?
  • Узнают о физико-химических особенностях различных кристаллов и областях их применения в повседневной жизни;
  • Узнают о способах и особенностях выращивания различных монокристаллов;
  • Научатся выдвигать гипотезы;
  • Научатся разрабатывать оборудование для проведения экспериментов, подтверждающих выдвинутые гипотезы
  • Научатся выращивать моно- и/или поликристаллы.

 

 3. Задания, разделы и подразделы курса.

3.1. Теоретическая часть.

Кристалл: что это такое, как его выращивать, и ,главное, зачем?

3.1.1. Что такое кристалл и как его выращивать?

Изучить предлагаемые учебные пособия (Р. Лодис, Р. Паркер «Рост кристаллов» или «Современная кристаллография, том 3» А.А. Чернов и др.).

ВНИМАНИЕ! Для того, чтобы открыть данные файлы — необходимо установить бесплатную программу: УСТАНОВИТЬ!

В ходе изучения участникам предлагается ответить на ряд вопросов:

  • Что такое кристалл, кристаллическая решетка?
  • Чем отличается поликристалл от монокристалла?
  • Какие типы кристаллических решеток существуют и чем они различаются?
  • Какие виды несовершенств встречаются в кристаллах? Как они влияют на физические характеристики кристаллов? Приведите примеры.
  • Как классифицируют процессы роста кристаллов?
  • Каковы необходимые условия для роста кристаллов?
  • Какие методы выращивания кристаллов существуют? Опишите их области применения и особенности (возможно, в качестве плюсов и минусов), приведите примеры использования для конкретных кристаллов
  • Что такое свободная энергия (ее также называют энергией Геймгольца) и энергия Гиббса? Как они связаны с выращиванием кристаллов и их структурой?
  • Что такое фазовая диаграмма и зачем она нужна?
  • Что такое зародыш? Откуда он берется и зачем нужен при выращивании кристаллов? Что такое флуктуация?
  • Что такое гомогенная и гетерогенная реакции?

3.1.2. Чем интересны кристаллы и зачем их выращивать?

  • Почему нас интересуют кристаллы? (соответствующая глава в книге)
  • Какими уникальными физическими и химическими свойствами обладают различные кристаллы? Приведите не менее 10 примеров.
  • Какие области применения кристаллов вы знаете? Приведите примеры (не менее 10) использования кристаллов в повседневной жизни.
  • Какие соли можно использовать для выращивания монокристаллов в домашних условиях? Подумайте и обоснуйте, какой метод выращивания является наиболее подходящим? Какие трудности могут возникнуть при использовании выбранного вами метода?

Постарайтесь собственными словами доступно ответить на поставленные вопросы, используя предложенную и дополнительную литературу, подготовьте отчет в формате .doc/.docx(или иных, если вы используете MacOS/Linux).

3.2. Практическая часть

Основываясь на предыдущих ответах на поставленные вопросы, опишите процесс выбора подходящего вещества для выращивания кристаллов, обоснуйте выбор метода для выращивания, сформулируйте требования к выращиваемому кристаллу (моно- или поликристалл, какие несовершенства приемлемы в будущем кристалле, какого размера он должен быть, как долго должен расти и т.д.). Разработайте план изготовления установки, опишите процесс создания установки, после чего необходимо выслать промежуточные результаты исследований ведущему курса. После согласования эксперимента с преподавателем, приступайте к выращиванию кристаллов. При завершении выращивания сделайте выводы (совпали ли ваши ожидания и реальный результат, где могли быть допущены ошибки, как можно улучшить установку и т.д.?), предложите способы улучшения результатов и при наличии достаточного времени до завершения курса проведите дополнительные эксперименты.

Дополните ваш отчет перечисленными пунктами.

3.3. Презентация

При оценке проделанной работы будут оцениваться глубина понимания физических принципов, сложность разработанной установки и результаты её работы. Помимо этого необходимо подготовить презентацию в формате .ppt/.pptxдля наглядной демонстрации проделанной работы широкой публике (ваши работы могут вдохновить младшее поколение и привить тягу к знаниям и исследованиям!). Презентация должна содержать описание ожидаемых результатов, процесс создания установки и результаты её работы (обязательно фото и по желанию видео), выводы и способы улучшения установки и/или чистоты (правильности проведения) эксперимента.

4. Тезаурус курса.

Зародыш/затравка — маленький кристалл, из которого в ростовой среде в последующем будет выращен кристалл.

Ростовая среда — перенасыщенный раствор или расплав соли, в котором будет выращиваться кристалл.

Перенасыщенный раствор/расплав — раствор/расплав, в котором концентрация вещества является максимальной при данной температуре. (прим. в справочной литературе можно найти предельную растворимость вещества при заданной температуре (обычно грамм/литр, моль/литр))

Градиент (температурный, концентрационный) — изменение какого-то параметра в определенном направлении. Например, в атмосфере Земли есть градиент температуры и концентрации — с увеличением высоты температура воздуха и концентрация молекул воздуха снижается.

Дефект (одно-, дву- или трехмерный) — в кристаллах возможно существование различных дефектов: трехмерные — полости в кристаллах, двухмерные — наличие лишней (в том числе по составу) или отсутствие недостающей атомной плоскости в кристаллической структуре, одномерные — например, наличие примесного атома в кристаллической решетке кристалла или отсутствие базисного атома в решетке.

Монокристалл — кристалл, который в своей структуре полностью однородный и не имеет каких-либо дефектов.  (прим. так как полностью избежать дефектов в структурах кристаллов невозможно, существуют различные типы кристаллов в зависимости от типа дефектов)

Поликристалл — кристалл, который имеет разноориентированные маленькие (относительно всей своей структуры) монокристаллы.

5. Видеоматериалы к подразделам курса.

Для освоения базового способа выращивания кристаллов предлагается к просмотру набор видео на youtube-канале Thoisoi:

Также там можно найти примеры выращивания кристаллов различных солей, которые помогут участникам определиться с тем, монокристалл какого цвета и формы будет выращен.
Данные видео будут давать минимум знаний для частичной подготовки промежуточного задания.

6. Основные материалы для изучения курса.

В приложении вы найдете книги Р. Лодис, Р. Паркер «Рост кристаллов» и «Современная кристаллография, том 3» А.А. Чернов и др., которые необходимо будет изучить и проанализировать. Для открытия материалов в формате .djvu также приложена программа (ссылка на программу).

Также может быть полезна для понимания физики процессов книга Зиненко В.И. «Основы физики твердого тела«.

7. Дополнительные материалы.

При анализе литературы участникам необходимо использовать Google/Википедию для понимания литературы и подготовки промежуточного письменного отчета.

 

Задание

  1. Изучить литературу, чтобы развернуто ответить на поставленные в п. 3.1 вопросы. Полученные ответы оформить письменно в формате .doc/.docxв виде главы «Теоретическая часть». Для наглядности ответов используйте собственные рисунки или картинки из интернета при необходимости.
  2. Продумать эксперимент, провести его и сделать выводы (для этого см. п. 3.2). Все перечисленные в п. 3.2 действия необходимо оформить в виде отчета, четко продумав структуру и последовательность изложения при описании практической части. Дополнить уже существующий .doc/.docxновой главой: «Практическая часть». Эта часть должна содержать фотографии промежуточных этапов эксперимента.
  3. Составить краткую и информативную презентацию на основании сформированного отчета: должна быть сформулирована проблема, предложен способ её решения, описание установки и её фото, результаты эксперимента и выводы, сделанные на основе полученных результатов.

Критерии оценивания:

Теоретическая часть: уверенные теоретические знания являются неотъемлемой частью при проведении экспериментов и разработке теорий, основанных на их результатах. При полном понимании и доступном изложении ответов на поставленные вопросы участник получает до 3 балла.

Практическая часть: четкое понимание проблематики, постановка гипотезы, разработка оборудования для проведения эксперимента, проведение качественных экспериментов и обработка полученных результатов являются не менее важными, чем теоретическая подкованность. За гармоничное сочетание теории и практики участник может получить до 5 баллов.

Презентация: отчет о проделанной работе (ученые для этого пишут статьи), презентация полученных результатов (для этого ученые выступают на конференциях) и доступное их изложение широкой аудитории (этим занимаются популяризаторы науки в том числе) является неотъемлемой частью жизни исследователя. Четко продуманная структура презентации и лаконичное изложение материала — залог успеха и 2 балла.

Рекомендации

Советую тщательно изучить рекомендуемую литературу и разобраться в определениях, которые там вводятся. Для понимания написанного поможет активное использование поисковика Google и ведение собственного толкового словарика. На youtube.com можно найти простое объяснение различных физических законов, описание методов выращивания кристаллов и областей применения кристаллов.