Научный метод

Научный метод

Как мы предложили школьникам вырастить фотонный кристалл
Время чтения: 4 мин

Научный метод

Как мы предложили школьникам вырастить фотонный кристалл
Время чтения: 4 мин

Учёный последние полвека довольно массовая профессия. Современные университеты выпускают тысячи молодых людей, готовых к работе в науке. Нужно ли их столько, или стоит готовить молодого человека к какому-то другому жизненному пути, — тема для совершенно другого обсуждения. Сегодня хочется поговорить об опыте создания для школьника такой среды, где он действительно занимается наукой (а не повторяет чьи-то опыты многолетней давности). И, кстати, может решить, так ли интересно ему этой наукой заниматься.

Многие (и мы сами) постоянно критикуем школы. Учебники по химии, физике и биологии устарели? Факт. Разрыв между тем, что написано в учебнике, и реальным состоянием дел в науке и инженерии всё растёт? Факт.

Мир стал таким сложным, что большую часть явлений, с которыми сталкивается обычный городской ребёнок, уже невозможно объяснить в учебнике? Факт. Рассказать про строение электронно-лучевой трубки в учебнике физики ещё было можно, с жидкокристаллическим экраном возникают проблемы. Читать про лампу накаливания, вероятно, душеполезно, но многие школьники её просто никогда не видели.

Таких примеров много можно приводить, а жаловаться на учебники и школьные программы можно просто бесконечно. Но организация актуального, и при этом не суперсложного исследования для подростков — очень сложная задача, мы в этом убедились на собственном опыте.

Мы — это команда STEM-игры, преподаватели Московского Политеха и МГУ при поддержке Фонда инфраструктурных и образовательных программ, и мы организовывали трек «Современные структуры и материалы» Олимпиады НТИ, то есть, проще говоря, занимались наноматериалами.

А один из самых многообещающих материалов — это фотонный кристалл. Многие считают, что за этими конструкциями из атомов кремния будущее. Сверхбыстрая передача данных, сверхвысокие мощности… Проблема лишь в том, что фотонные кристаллы не то чтобы часто встречаются в природе (натуральные опалы — приятное исключение). А создать кристалл таким, чтобы на нём можно было поставить эксперимент или тем более использовать в промышленности, весьма непросто. Кристалл размером порядка микрометров растет месяц, и только в очень специфических условиях — при полном отсутствии вибраций. В научных целях иногда используют не кристаллы, а фотонные плёнки нанотолщин (для наглядности — это примерно три тысячи положенных одна на другую плёнок в одной булавочной головке). Хорошо, но как делать такие плёнки?

Одна из самых популярных ситуаций в современном научном процессе такова: выходит новая статья на интересную тему, учёный старается повторить опыт коллеги, чтобы проверить правильность полученных им выкладок, что-то уточнить и тем самым сказать новое слово. На пустом месте не возникают открытия, всё новое базируется на предыдущем опыте. Мы нашли недавнюю статью по наноматериалам и предложили участникам Олимпиады повторить эксперимент и уточнить полученные данные.

Итак, на входе:

1 статья,

1 лаборатория в ВДЦ «Сириус»,

Спектрофотометр,

Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ),

Набор лабораторной посуды,

Тэтраэтоксисилан (ТЭОС) — источник кремния,

Спирт,

Аммиак,

Термометры, дозаторы, шприцы, перемешиватели

4 лаборанта,

6 команд школьников,

Заказчик — Фонд инфраструктурных и образовательных программ,

И три рабочих дня. Это всё-таки олимпиада, соревнование, и хотя большинство участников требуют оставить их в «Сириусе» минимум на неделю, сроки финала всегда очень сжатые.

Дальше эксперимент следовал за экспериментом:

команды синтезируют ядра наноплёнок,

затем, добавляя реактивы каждые 15 минут, доращивают ядра до 200 нм,

получают из них пенки, капая смесь на тонкое стекло.

Если пленка высохла правильно, она начинает радужно переливаться.

Но вырастить её недостаточно. Плёнка должна быть идеально однородной, и это уже замеряется на сканирующем зондовом микроскопе: один замер шёл 20 минут.

Помните, как в НИИ семидесятых шла борьба за машинное время? Для компьютеров это уже история. А на большие научные установки действительно стоит очередь. Вот и наш сканирующий зондовый микроскоп пользовался большим спросом. Тоже вполне реалистично.

Школьникам досталась классическая лабораторная часть исследования, которая включает и постоянную работу руками, и рассуждения, и общение с коллегами.

Нужно добавлять ТЭОС непривычным автоматическим дозатором (специальной точной лабораторной пипеткой), и только маленькими каплями — небольшая ошибка — нарушится главное условие хорошей пленки — идентичность размеров сфер.

Кто-то работает строго по часам, кто-то задумывается — может быть, время в этой задаче не так уж и важно?

На одном из этапов образцы стоят в лабораторной тяге. Нужно вовремя открыть дверцу тяги. Вовремя закрыть. Догадаться оставить дверцу приоткрытой. Договориться с коллегами, насколько приоткрытой она останется — ведь команд шесть, а тяга одна, она всем нужна, и все поставили образцы в разное время. Понять наконец, на что же влияют эти операции с дверцей, и решить, делиться ли этим знанием с другими командами.

Хорошо, за 16 часов команде удалось среди прочих получить наноплёнку отличного качества, аппаратура это подтверждает. Но как этого удалось добиться? Надо поднять лабораторные журналы, выяснить, как добавляли вещества, как шёл синтез, повторить результат… и главное — оценить размеры частиц, из которых формируется плёнка.

Но у команд, конечно, шло негласное соревнование: у кого плёнка будет опалесцировать красивее всего. Это уже можно определить при помощи простого фонарика.

Для школьников это были трудные три дня. Для нас, конечно, тоже. Мы не говорили об этом до окончания финала, но задание было проверено, и свои собственные плёнки мы вырастили. И даже дважды — в Москве, в процессе подготовки и в «Сириусе», в тех же условиях, что участники. Ещё пришлось приспособить спектрофотометр для работы со стеклами (получился единичный прибор, способный работать с твердыми образцами и фиксированными углами поворота образца, тогда как стандартные спектрофотометры рассчитаны на работы с растворами и пропускают свет под единственным углом). Понадобилась настроить для работы такой тонкий и капризный прибор как СЗМ, правильно подобрать параметры зонда и специальных подложек для образцов.

Это было трудно, но интересно, и мы надеемся, что область, которая для большинства кажется чем-то сродни магии, для наших финалистов стала ближе. Но, пожалуй, мы лучше стали понимать учителей, которые часто говорят нам, что заниматься в школе современной наукой неподъёмно сложно и дорого.

Текст написан в соавторстве с Виктором Дёминым и Натальей Симоновой.

Благодарим за фотографии Оргкомитет Олимпиады НТИ и РВК.

К комментариям
Комментарии
Отправить
Больше статей