Наносистемы и наноинженерия

Профиль Наносистемы и наноинженерия соответствует сквозным технологиям НТИ: технологии моделирования и разработки новых функциональных материалов с заданными свойствами. Его основная тематика — современные наноматериалы и их практическое применение.

Профиль построен на взаимосвязи физики и химии в условиях современного научного мира. Для решения задач профиля требуются:

• глубокое понимание школьных предметов;
• умение работать в команде;
• стремление разрабатывать собственные технологические решения и новые материалы своими руками.

В рамках профиля проводятся вебинары и разборы заданий, которые доступны всем участникам. Кроме того, для самостоятельного изучения и углубления знаний им предоставляется подборка полезных материалов из открытых источников.

Профиль Наносистемы и наноинженерия состоит из двух отборочных этапов и заключительного этапа.

Задачи отборочных этапов профиля разработаны таким образом, чтобы не только выявить участников, готовых к выполнению финального задания, но и обеспечить им необходимую подготовку к заключительному этапу. Финальная задача традиционно предполагает достаточный объем самостоятельной практической работы в лаборатории.

На первом отборочном этапе участникам предлагаются задачи продвинутого школьного уровня по физике и химии. Это позволяет выявить школьников, готовых к дальнейшей работе, а также оценить уровень подготовки и адаптировать под него задания второго отборочного тура.

Образовательный блок инженерного тура на первом этапе погружает участников в тематику финальной задачи:

• получение нанокатализаторов из комплексных соединений: знакомство с понятием и классификацией катализаторов и нанокатализаторов, а также комплексными соединениями (участники учатся проводить расчеты для синтеза комплексных соединений, опираясь на школьные знания);
• основы химического катализа: изучение области применения нанокатализаторов, формирование представления о том, как проводится химический синтез с использованием нанокатализаторов;
• основы химической технологии и понятие материального баланса: приобретение знаний о химической технологии, принципах и критериях успешно разработанной технологии; проведение базовых расчетов материального баланса.

Инженерный тур первого этапа позволяет проверить уровень усвоения материала по тематике финальной задачи, а также оценить общую подготовку.

На втором отборочном этапе участники работают в командах, решая задания, приближенные по формату и тематике к заключительному этапу. Задания включают выбор ответа и краткий числовой ответ с учетом допустимой погрешности округления. Основное внимание уделяется созданию нанокатализаторов и их применению в химико-технологических процессах.

Участники погружаются в тематику получения нанопорошков катализаторов из комплексных соединений, применяемых в технологиях органического синтеза:

• изучают методы анализа комплексных соединений физико-химические характеристики наночастиц;
• осваивают особенности проведения каталитических процессов и контроль синтеза целевых продуктов;
• приобретают навыки выполнения расчетов материального баланса реакций.

Задачи этого этапа выходят за рамки стандартной школьной программы. Чтобы справиться с ними, участники получают методические материалы, включающие дополнительную информацию или ссылки на открытые источники. Это позволяет познакомить школьников с реальными проблемами, находящимися на стыке нанотехнологий, производственных процессов, физики и химической технологии, а также сформировать представление о процессе инженерной разработки.

Для решения требуется уверенное владение материалом школьной программы по химии и физике. При этом задания представляют собой формат, непривычный для классического школьного курса, что развивает у участников гибкость мышления и способность применять знания в нестандартных ситуациях. Методические материалы, сопровождающие задачи, не только помогают успешно преодолеть текущий этап, но и подготовиться к содержанию и логике финального задания.

Задачи второго отборочного этапа сочетают в себе творческий подход к поиску решений и развитие практических навыков выполнения расчетов. Творческая составляющая позволяет глубоко погружаться в тематику задания: для проверки собственных гипотез школьники активно работают с методическими материалами и изучают рекомендованную дополнительную литературу. Такой формат способствует развитию самостоятельного научного мышления и навыков анализа.

Одновременно задания формируют устойчивые навыки выполнения расчетных задач, что является необходимым элементом инженерной подготовки и важной основой для успешного выполнения командной задачи на заключительном этапе Олимпиады.

Заключительный этап профиля включает в себя два блока задач:

• индивидуальные теоретические (решение олимпиадных задач по химии и физике);
• командные инженерные (создание наноструктурированных катализаторов и апробация на модельной реакции, оценка их эффективности по нескольким параметрам).

На основе предоставленных теоретических материалов участники подбирают оптимальные условия получения нанокатилизаторов из комплексных соединений, а затем проверяют эффективность полученных катализаторов по нескольким параметрам. При этом они самостоятельно разрабатывают один или несколько путей их получения.

Задача является нелинейной, для ее решения существует несколько вариантов, при этом участникам не дается готовая инструкция с нужными параметрами получения комплексов и катализаторов на их основе и последовательностью выполнения работ. Принять решение о методах и параметрах для синтеза они должны исключительно на основе собственного понимания наноинженерии таких систем, основанном на материалах подготовки (в том числе задачах второго этапа, инженерного тура отборочного этапа, дополнительных теоретических материалах перед заключительным этапом).

Типовые примеры всех расчетов, с которыми сталкиваются участники, решая командную практическую задачу, разобраны в рамках второго отборочного этапа и вебинаров. Все необходимые теоретические материалы представлены в методических пособиях к ним, а также в виде дополнительного теоретического блока, приложенного к материалам задачи заключительного этапа.

Финальная задача сформирована на основе разработок Института тонких химических технологий имени М. В. Ломоносова РТУ МИРЭА, поэтому школьники получают возможность познакомиться с актуальными технологиями и современными научными исследованиями, которые они смогут углубленно изучать в дальнейшем в рамках высшего образования.

Профиль Наносистемы и наноинженерия знакомит участников с такими специальностями как материаловедение, инженерия наноматериалов, химическая технология и пр.

Первые выпускники профиля — школьники, принимавшие участие в Олимпиаде на протяжении нескольких лет и завершившие обучение в школе, — уже выбрали для себя профессиональный путь в сфере нанотехнологий и химии. Многие из них поступили на профильные направления в ведущие вузы, продолжив развитие в области, с которой начали знакомство в рамках участия в НТО.