Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu - Centralny punkt logowaniaNie jesteś zalogowany | zaloguj się
katalog przedmiotów - pomoc

Nanomateriały i nanostruktury

Informacje ogólne

Kod przedmiotu: 0600-S1-Spec-NN Kod Erasmus / ISCED: 13.3 / (0531) Chemia
Nazwa przedmiotu: Nanomateriały i nanostruktury
Jednostka: Wydział Chemii
Grupy: Specjalności studiów stacjonarnych I stopnia na kierunku chemia
Punkty ECTS i inne: (brak)
zobacz reguły punktacji
Język prowadzenia: polski
Wymagania wstępne:

Chemia fizyczna

Analiza instrumentalna

Chemia stosowana i materiałów

Podstawy chemii kwantowej

Chemia organiczna


Rodzaj przedmiotu:

przedmiot fakultatywny

Całkowity nakład pracy studenta:

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli (180 godz.):

- udział w wykładach – 65 godz.

- udział w laboratorium – 115 godz.


Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta (90 godz.):

- przygotowanie do laboratorium – 30 godz.

- konsultacje i praca z nauczycielem akademickim – 30 godz.

- przygotowanie studenta do egzaminu – 30 godz


Efekty uczenia się - wiedza:

Student:

W1: zna zasady nazewnictwa związków nieorganicznych – K_W01

W2: zna podstawowe prawa chemiczne – K_W01

W3: zna cząstki elementarne wchodzące w skład materii – K_W01

W4: zna teorie (klasyczne i kwantowe) budowy atomu i powstawania wiązań chemicznych – K_W01

W5: zna podstawy teoretyczne kinetyki oraz równowagi chemicznej – K_W08

W6: zna przepisy i zasady z zakresu bezpieczeństwa i higieny pracy, podstawowe pojęcia z zakresu toksykologii; akty prawne dotyczące norm i wymagań laboratoriów chemicznych oraz regulacje prawne dotyczące niebezpiecznych substancji i ich przechowywania oraz oznakowania – K_W16

W7: posiada wiedzę w zakresu podstawowych zagadnień technologii i inżynierii chemicznej – K_W15

W8: zna podstawowe aspekty budowy i metody oceny właściwości materiałów i substancji chemicznych. Ma wiedzę pozwalającą na wykorzystania materiałów do określonego celu praktycznego oraz wskazania metody ich zagospodarowania po okresie użytkowania – KW_13

W9: zna podstawowe pojęcia i metody badawcze współczesnej chemii nanomateriałów – KW_10

W10: posiada znajomość podstawowych terminów, pojęć, zasad i praw fizyki i chemii oraz ich uniwersalnego charakteru w stopniu wystarczającym do dalszej edukacji – KW_09


Efekty uczenia się - umiejętności:

Student:

U1: nazywa nieorganiczne związki chemiczne – K_U01

U2: zapisuje równania reakcji zachodzących w roztworach wodnych z udziałem nanomateriałów – K_U01

U3: wykonuje doświadczenia związane z stanem równowagi w wodnych roztworach nanomateriałów – K_U05, K_U08

U4: interpretuje wyniki przeprowadzonych doświadczeń – K_U03, K_U08

U5: wykonuje obliczenia związane ze stanem równowagi w roztworach wodnych – K_U03

U6: posiada umiejętności wykonywania pomiarów podstawowych wielkości chemicznych nanomateriałów oraz potrafi opracować wyniki eksperymentów fizyko-chemicznych – K_U05

U7: potrafi wykonać analizy ilościowe z zastosowaniem metod wagowych, miareczkowych i instrumentalnych na podstawie procedur analitycznych oraz przygotować raporty z analizy – K_U06

U8: rozpoznaje grupy funkcyjne nanomateriałów i prowadzi eksperymenty z ich wykorzystaniem – K_U07

U9: umie znajdować relacje pomiędzy zachowaniem się nanomateriałów podczas formowania i użytkowania a właściwościami fizykochemicznymi, budową i rodzajem struktury – K_U13



Efekty uczenia się - kompetencje społeczne:

Student:

K1: dostrzega zależności pomiędzy zjawiskami i poprawnie wyciąga wnioski – K_K01

K2: jest nastawiony na jak najlepsze wykonywanie powierzonych zadań – K_K03

K3: jest nastawiony na zdobywanie nowej wiedzy, umiejętności i doświadczeń – K_K02, K_K05

K4: zna ograniczenia własnej wiedzy i umiejętności – K_K05, K_K09

K5: pracuje systematycznie – K_K06

K6: nawiązuje współpracę w grupie – K_K09

K7: dba o środowisko naturalne – K_K08



Metody dydaktyczne:

Metody dydaktyczne podające:

- wykład informacyjny (konwencjonalny) z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych.


Metody dydaktyczne poszukujące:

- laboratorium: zajęcia laboratoryjne związane są z treściami programowymi przerabianymi na wykładach. Student wykonuje zadania samodzielnie po przygotowaniu w oparciu o dostępną instrukcję oraz zalecaną literaturę. W oparciu o poczynione obserwacje i wyniki pomiarów student zapisuje stosowne równania reakcji, wykonuje obliczenia oraz wyciąga wnioski.



Metody dydaktyczne podające:

- pogadanka
- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład konwersatoryjny
- wykład problemowy

Metody dydaktyczne poszukujące:

- ćwiczeniowa
- doświadczeń
- klasyczna metoda problemowa
- laboratoryjna

Skrócony opis:

Przedmiot składa się z kilku wykładów oraz pracowni. Celem jest zapoznanie studentów z metodami stosowanymi w nanoskali, które obecnie stają się jednymi z podstawowych metod współczesnej inżynierii materiałowej.

Pełny opis:

Wykłady wchodzące w skład bloku: 1. Wstęp do chemii nanomateriałów , 2. Basics and Applications of Carbon Nanotubes, 3. Sorbenty nanoporowate, 4. Nanoelektronika. W obrębie bloku odbywa się kilka pracowni: Wstęp do Chemii Nanomateriałów, Nanomateriały i nanostruktury w katalizie heterogenicznej, Nanoadsorbenty, Nanopianki i inne.

Wykłady omawiają współczesne nanomateriały, ich zastosowanie i rolę w życiu człowieka.

Treści programowe wykładu:

I. Nanokataliza i nanokatalizatory

1. Nanokataliza i jej związek z nanonauką: nanotechnologią, nanofizyka, nanochemia, nanobiologia, nanomedycyna.

2. Podstawowe składniki katalizatora i ich funkcje.

3. Kataliza na nanocząstkach.

4. Nośniki tlenkowe i węglowe stosowane w nanokatalizatorach.

5.Metody preparatyki nanokatalizatorów.

6. Nanokatalizatorz heterogeniczne: metody charakteryzacji struktury i powierzchni właściwej.

7. Katalizatory nanoporowate.

8. Nośnikowe nanokatalizatory mono- i bimetaliczne.

9. Analiza mechanizmów wybranych reakcji przebiegających z udziałem nanokatalizatorów.

II. Modelowanie nanomateriałów i nanostruktur

1. Zastosowanie symulacji w chemii – co można a czego nie da się symulować?

2. Podstawy termodynamiki statystycznej:

a) metoda komórek Boltzmanna,

b) nieoznaczone mnożniki Lagrangea,

c) zespoły statystyczne (mikrokanoniczny, kanoniczny i grandkanoniczny),

d) termodynamika statystyczna a termodynamika fenomenologiczna,

e) wstęp do teorii oddziaływań międzycząsteczkowych.

3. Wspólne cechy symulacji Monte Carlo (MC) w wielkim zespole kanonicznym (GCMC) i dynamiki molekularnej (MD).

4. Modelowanie różnych rodzajów oddziaływań.

5. Metody dynamiki molekularnej:

a) algorytm Verleta,

b) alternatywne metody całkowania równań ruchu,

c) układ jednostek zredukowanych.

5. Metody typu Monte Carlo:

a) algorytm Metropolisa,

b) symulacje MC w różnych zespołach statystycznych (kanonicznym i wielkim kanonicznym),

c) techniki równoległe i temperingowe (pyper-parallel tempering MC).

6. Odtwarzanie struktury ciał amorficznych (techniki odwrotnego MC i hybrydowe).

7. Modelowanie reakcji chemicznych (metody reakcyjnego MC).

III. Sorbenty nanoporowate

1. Nanopory – definicja,

2. mechanizmy adsorpcji z fazy gazowej i ciekłej w nanoporach,

3. klasyfikacje izoterm adsorpcji.

4. Sorbenty nanoporowate stosowane w praktyce: krzemionki, zeolity, materiały uporządkowane typu MCM, SBA-15, nanorogi węglowe, MOF, kompozyty nanorurkowo-polimerowe, membrany nanorurkowe.

5. Współczesne i perspektywiczne zastosowania sorbentów nanoporowatych

IV. Nanoelektronika

1. Poziomy energetyczne w atomach.

2. Powstawanie orbitali molekularnych w cząsteczkach di atomowych H2, Li2, N2, O2, F2.

3. Cząsteczki wieloatomowe jako wstęp do tworzenia monokryształów metali (Li) i półprzewodników pierwiastkowych.

4. Struktura pasmowa ciał stałych: pasmo przewodnictwa, pasmo walencyjne, pasmo wzbronione. Poziom Fermiego.

5. Stężenie nośników prądu. Mechanizm przewodzenia prądu w półprzewodnikach i metalach. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane (n i p). Przykładowe półprzewodniki pierwiastkowe - grupa IV (Ge, Si, „szara Sn”), grupa V (P, As), grupa VI (Se, Te).

6. Półprzewodniki złożone – związki grup III – V: GaAs, AlAs, InP, InAs, GaP, InSb, GaN. Półprzewodniki złożone – związki grup II – VI: ZnS, ZnO, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe. Półprzewodniki złożone – związki grup I – VII: CuCl, CuBr.

7. Szkła półprzewodnikowe.

8. Nanorurki węglowe. Węgiel – izolator, półprzewodnik i quasi-metal. Półprzewodniki organiczne.

9. Otrzymywanie materiałów półprzewodnikowych. Złącza półprzewodnik-półprzewodnik, metal półprzewodnik.

10. Podstawowe elektroniczne elementy półprzewodnikowe: dioda i tranzystor. Lasery półprzewodnikowe.

11. Kropki kwantowe. Cienkie warstwy półprzewodnikowe i metaliczne. Chemia powierzchni półprzewodników.

12. Wybrane zastosowania materiałów i elementów półprzewodnikowych: elektronika użytkowa.

Treści programowe laboratorium:

I. Nanokataliza i nanokatalizatory

1. Preparatyka i charakterystyka nanokatalizatorów nośnikowych (węglowych oraz tlenkowych): twarde i miękkie templatowanie; osadzanie fazy aktywnej wybranymi metodami (wymiany jonowej, CVD)

2. Zastosowanie zsyntezowanych nanokatalizatorów w procesie oczyszczania wody z wykorzystaniem metody Fentona.

II. Modelowanie nanomateriałów i nanostruktur

1. Obliczenia kwantowo – chemiczne.

2. Pole siłowe – topologia cząsteczki.

3. Przygotowanie konfiguracji początkowej.

4. Wizualizacja wyników symulacji komputerowych.

5. Wykonanie prostych obliczeń związanych z modelowaniem procesów dyfuzji, adsorpcji, przejść fazowych, mieszanin, itd.

III. Sorbenty nanoporowate

1. Preparatyka i charakterystyka nanostrukturalnych sorbentów (węglowych oraz tlenkowych): twarde i miękkie templatowanie; osadzanie fazy aktywnej wybranymi metodami (wymiany jonowej, CVD)

2. Zastosowanie zsyntezowanych nanosorbentów w procesie oczyszczania wody i powietrza.

3. Preparatyka i charakterystyka nanokompozytów

Literatura:

Literatura podstawowa:

1. I.J. Nejmark, Syntetyczne adsorbenty mineralne, WNT, Warszawa, 1988.

2. Z. Sarbak, Nieorganiczne materiały nanoporowate, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2009.

3. Z. Sarbak, Adsorpcja i adsorbenty: teoria i zastosowania, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2000.

4. R.C. Bansal, M. Goyal, Adsorpcja na węglu aktywnym, WNT, Warszawa, 2009.

5. Z. Sarbak, Metody instrumentalne w badaniach adsorbentów i katalizatorów, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 2005.

6. M. Ziółek, I. Nowak, Kataliza heterogeniczna. Wybrane zagadnienia, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań, 1999.

7. B. Grzybowska-Świerkosz, Elementy katalizy heterogenicznej, PWN, Warszawa, 1993.

8. B. C. Gates, Catalytic Chemistry, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1992.

9. D. Frenkel, B. Smit Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications, second edition, Academic Press.

10. D. Al. McQuarrie, Statistical mechanics, University Science Books, 2000.

11. A. Patrykiejew, Wprowadzenie do metody Monte Carlo, Wyd. UMCS, Lublin 1993.

12. D.C. Rapaport, The art. of molecular dynamics simulation, CUP, 2004.

13. W. Szymański, termodynamika statystyczna, UMK, 1985.

14. S. Lamperski, Symulacje komputerowe w chemii, Wydział Chemii UAM, 2006.

15. J.M. Haile, Molecular dynamics simulation, Willey, New York, 1997.

Literatura uzupełniająca:

1. E. J. Bottani and J.M.D. Tascon (Editors), Adsorption by Carbons, Elsevier, Amsterdam, 2008.

2. R.T. Yang, Adsorbents: Fundamentals and Applications, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2003.

3. J.A. Moulijn, P.W.N.M. van Leeuwen and R.A. Santen (editors), Catalysis: An Integrated Approach to Homogeneous, Heterogeneous and Industrial Catalysis, Elsevier, Amsterdam, 1993.

4. J. M. Thomas, W. J. Thomas, Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis, VCH, Weinheim, 1997.

5. Instrukcja obsługi programu Arguslab.

6. Instrukcja obsługi programu Gaussian.

7. Instrukcja obsługi programu Packmol.

8. Instrukcja obsługi programu Atene.

9. Instrukcja obsługi programu VMD.

10. Instrukcja obsługi programu Groamcs.

Metody i kryteria oceniania:

Metody oceniania:

wykład - K_W01, K_W08, K_W09, K_W10, K_W13, K_W15, K_W16, K_U01, K_U05, K_U08

laboratorium – K_U03, K_U06, K_U07, K_U13, K_K01, K_K02, K_K03, K_K05, K_K06, K_K08, K_K09

Kryteria oceniania:

Wykład:

Zaliczenie blokowe z następującymi wagami:

- 60% dwugodzinny egzamin pisemny obejmujący treści omawiane na wykładzie

- 25 % ocena z laboratorium

- 15 % ocena z ćwiczeń

Wymagany próg na ocenę:

- dostateczną: 50 -60 %

- dostateczną plus: 61 – 65 %

- dobrą: 66 – 75 %

- dobrą plus: 76 – 80 %

- bardzo dobrą: 81-100 %

Laboratorium:

Zaliczenie na ocenę w oparciu o:

- sporządzone raporty z wyników samodzielnie przeprowadzonych zadań

Wymagany próg na ocenę:

- dostateczną: 50 -60 %

- dostateczną plus: 61 – 65 %

- dobrą: 66 – 75 %

- dobrą plus: 76 – 80 %

- bardzo dobrą: 81-100 %

Przedmiot nie jest oferowany w żadnym z aktualnych cykli dydaktycznych.
Opisy przedmiotów w USOS i USOSweb są chronione prawem autorskim.
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.