Публикации: Методы исследования

В пятницу, 26 февраля 2003 года ближе к вечеру студенты физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Д.И. Черниченко, А.М. Самойлов, С.С. Голубев и Т.И. Малашенко обработали результаты эксперимента и готовы были к их сдаче. Их ожидал преподаватель, аспирант того же факультета – Евгений Владимирович Дубровин. Так в этот вечер заканчивалось занятие в физическом практикуме. Все было бы вполне обычно и буднично, если бы не одно но. Состояло оно в том, что в этот день было все новым и непривычным. Новым был и сам практикум, и сложный научный прибор, на котором проводились измерения, и сама лабораторная работа, которую выполняли студенты.

Практикум расположился на кафедре высокомолекулярных соединений в помещении 6-19 на шестом этаже Лабораторного корпуса А МГУ. Оборудование практикума состояло из многофункционального сканирующего зондового микроскопа «ФемтоСкан» и 6-ти компьютеров, объединенных в общую сеть. Целью лабораторной работы было изучение структуры тонкой полимерной пленки, образованной блоксополимером полибутадиен-полистирол. Молекула выбранного полимера состоит из двух блоков - полибутадиенового и полистирольного, и поэтому называется блоксополимером. Если взять два полимера полибутадиен и полистирол и попытаться получить из них однородную смесь, то этого не получится. Два этих материала несовместимы и не смешивается. Но можно сделать забавный трюк. Химически пришить полибутадиен и полистирол, так что получится единая молекулярная цепочка, одна часть которой состоит из полибутадиена, а другая – из полистирола. Части несовместимы, но вынуждены находиться вместе. Как соседи на коммунальной квартире. Что из этого обычно происходят с соседями, мы все хорошо знаем. А с частями молекулы? Оказывается, что части молекулы – бутадиеновая и стирольная – пытаются оказаться в разных местах пространства. В результате в пленке блоксополимера получаются чередующиеся бутадиеновые и стирольные области. Размер областей составляет десятки нанометров. В химии этот процесс называется нанофазной сегрегацией. Возвращаясь к упомянутым в рассказе студентам, приятно отметить, что все они в этот вечер получили отличные оценки. Преподаватель Е.В. Дубровин был доволен отчетами студентов и работой самого практикума.

Наблюдательный читатель резонно спросит, а как же четыре студента выполняли работу на одном приборе? Не слишком ли много было участников для одного эксперимента? Вот тут мы подошли к кульминационной точке нашего рассказа и необходимо немного остановиться на описании прибора и того, кто и как его построил. Для этого надо вернуться на тринадцать лет назад – в 1990 год. Именно в этом году в Центральном административном округе г. Москвы было зарегистрировано малое научно-производственное предприятие «Центр перспективных технологий». Ровно с одной задачей – разрабатывать, создавать и производить сканирующие зондовые микроскопы. С таким основным профилем оно сумело преодолеть и обвал 1992 года и последующие трудные годы. Пережило дефолт 1998 года и многие рухнувшие в тот год предприятия. Медленно и трудно, но неуклонно и постепенно оно выживало и развивалось. А в 2008 году сумело увеличить годовой оборот почти в три раза. Еще в 1999 году Центр перспективных технологий начал выпуск новой и уникальной модели сканирующего зондового микроскопа «ФемтоСкан». Основное и главное отличие этого микроскопа от всех остальных сканирующих зондовых микроскопов состояло в возможности управлять им дистанционно, через Интернет. Как сразу стало ясно, это великое преимущество не столько для удаленного технического обслуживания, сколько для применения в обучении студентов, аспирантов и всех, кто интересуется зондовой микроскопией. Эту разработку с большим энтузиазмом поддержал заведующий кафедрой высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ академик РАН В.А.Кабанов. Энергичная поддержка пришла и от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно- технической сфере. В то время его руководитель, Иван Михайлович Бортник, лично приехал на химический факультет МГУ, все посмотрел своими глазами, поговорил со всеми действующими лицами и убедился, что разработка стоящая и серьезная. Так в 2003 году за номером 1837р/3679 от 03 февраля 2003 года появился проект на выполнение опытно-конструкторской работы «Разработка технологии открытого экспериментального лабораторного Интернет-практикума для высшего и среднего образования». Основным результатом этого проекта стал действующий практикум, в котором экспериментальное обучение проходят студенты естественных факультетов МГУ. Как проходят занятия? Преподаватель настраивает микроскоп, ставит образец, осуществляет начальное сближение зонда с образцом. Все остальное – выбор параметров сканирования и само сканирование выполняют сами студенты по очереди. При чем, когда один студент сканирует поверхность образца, все данные поступают через сеть Интернет на компьютеры других студентов. И эти студенты, не тратя зря время, могут заниматься обработкой экспериментальных данных. А задач, которые им предстоит решить, много. Необходимо оценить процентное содержание различных фаз в полимере. Определить, сколько бутадиена и сколько стирола. Измерить упругие свойства тонкой пленки, определить модуль Юнга для локальных бутадиеновых и стирольных областей. Исходя из наблюдений, оценить длину цепочки одной молекулы блоксополимера.

Можно ли сейчас говорить, что все, что сказано выше – это пример полноценного дистанционного обучения? Хочется ответить – Да, конечно! Но правильный, продуманный и взвешенный ответ другой. Это очень важные, но только самые первые шаги. Чтобы Интернет-практикум заработал автономно и дистанционно, необходимо сделать многое. О достижениях, результатах, проблемах и концепции развитии разговор шел на многих конференциях и симпозиумах (Список 1). В настоящее время нами создана техническая база Интернет-практикума. Её основа – многофункциональный микроскоп «ФемтоСкан», который стал первым в мире сканирующим зондовым микроскопом с полным управлением через сеть Интернет. Однако для организации полноценного Интернет-обучения зондовой микроскопии необходима дополнительная и существенная разработка методологии. Что нужно сделать для Интернет-образования в зондовой микроскопии? Неполный список задач, которые предстоит нам решить, приведен здесь. (Список 2)

Говоря о проекте, можно утверждать, что это удачный пример сотрудничества образовательного учреждения – МГУ им. М.В. Ломоносова, государственного фонда – ФС МФП НТС – и малого инновационного предприятия. Основной итог – новые возможности в обучении студентов новым аналитическим методам исследования материи – методам сканирующей зондовой микроскопии. Шестой год подряд в практикуме идут занятия со студентами. И получают они новые экспериментальные навыки. И оценки студенты получают разные, но в основном хорошие и отличные. С 2005 года в помещении практикум начались и лекционные занятия «Введение в экспериментальную нанотехнологию». Благодаря фонду, руководимому в течение 15-лет И.М.Бортником, а теперь возглавляемому С.Г. Поляковым, был дан сильный импульс развитию дистанционных методов в наноскопии.

В нашем рассказе было три участника – Московский университет, Фонд содействия и Центр перспективных технологий. Каждый делал свое дело. Один обучал, другой помогал, третий строил. На Руси число три, триединение, троица имели всегда особое значение.

Вместо заключения, хочется спросить, есть ли шанс у Российской технологии на бурное и непреодолимое развитие? И просится ответ «Да». При честном, открытом и энергичном участии всех возможных сторон. И обязательно, при мудрости.

Список 1. Сканирующая зондовая микроскопия через Интернет. Разговор об этом шел на российских и международных конференциях:

1. I. Yaminsky, D. Yaminsky, A. Filonov. Nanoscopy Education Programs at Advanced Technologies Center. International Conference on Nano Science and Technology (ICN+T 2007), Stockholm, Sweden, July 2-6, 2007, EDU03-Or05.
2. Яминский И.В. Дистанционное образование в области экспериментальной физики полимеров. // Четвертая Всероссийская Каргинская конференция "Наука о полимерах 21-му веку". Москва, МГУ, 29 января - 2 февраля 2007 года. Тезисы устных и стендовых докладов, том 3, с. 28
3. И.В. Яминский. Новые возможности зондовой микроскопии. Первая Всеросийская школа-семинар "Современные достижения бионаноскопии". Сборник тезисов. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. 11-17 июня 2007 года, Москва. с.18.
4. Яминский И.В., Киселев Г.А., Филонов А.С. Аппаратура и методы наноскопии для биологии и медицины. // Московская Международная Конференция "Биотехнология и медицина". Материалы конференции. Москва, Россия, 14-17 марта 2006, с.21.
5. Яминский И.В. Открытое экспериментальное образование в области наноскопии полимеров: Возможности и достижения. // Третья Всероссийская Каргинская Конференция "Полимеры - 2004". Тезисы устных и стендовых докладов. Москва, МГУ. Том 1, с. 196 (2004).
6. Bolshakova A.V., Filonov A.S., Gallyamov M.O., Gavrilko D.Yu., Dubrovin E.V., Kiselyova O.I., Lomonosov A.M., Meshkov E.B., Yaminsky I.V. Open experimental internet practical studies in nanoscopy of polymers. //SPMP-2003. Book of abstracts. Rolduc Abbey, Conference Center, Kerkrade, The Netherlands, 15-18 July 2003. P.82.
7. Bolshakova A.V., Filonov A.S., Gallyamov M.O., Gavrilko D.Yu., Dubrovin E.V., Kiselyova O.I., Lomonosov A.M., Meshkov E.B., Yaminsky I.V. Open experimental internet practical studies in nanoscopy. //Proceedings of International Workshop "Scanning Probe Microscopy - 2003", Nizhny Novgorod, March 2-5, 2003, pp. 57-61.
8. А.В.Большакова, И.В. Яминский Лабораторная работа "Сканирующая зондовая микроскопия бактериальных клеток" в рамках Интернет-практикума по зондовой микроскопии кафедры ВМС химического факультета МГУ // Электронная конференция "Российские Интернет-ресурсы по химии, биологии и медицине; их развитие и применение в образовании, науке и малом наукоемком бизнесе". 2002.
9. А.В. Большакова, Д.Ю. Гаврилко, М.О. Галлямов, Е.В. Дубровин, О.И. Киселева , Г.Б Мешков, А.С. Филонов, И.В. Яминский Лабораторный Интернет-практикум по сканирующей зондовой микроскопии // Электронная конференция "Российские Интернет-ресурсы по химии, биологии и медицине; их развитие и применение в образовании, науке и малом наукоемком бизнесе". 2002.
10. Филонов А.С. Интернет-лаборатория сканирующей зондовой микроскопии // Сборник докладов 5-го Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии, 7-8 октября 2002 г., ИФТТП НАН Беларуси, Минск, 2002, 33-34.
11. Яминский И.В., Филонов А.С., Люлевич В.В., Шишлова А.В., Киселева О.И., Большакова А.В., Галлямов М.О. Образовательные программы в области наноскопии и нанотехнологии // Съезд российских физиков- преподавателей "Физическое образование и XXI веке", тезисы докладов, Москва, 28-30 июня 2000, С.174
12. Яминский И.В., Филонов А.С., Большакова А.В., Шишлова А.В. Образовательные программы в области зондовой микроскопии// Материалы Всероссийского совещания "Зондовая микроскопия-99", Нижний Новгород, 10-13 марта 1999, сс. 352-356.

Список 2.

1. Регистрация пользователей, ведению «судового» журнала, составлению расписания – требуется адаптировать имеющееся или разработать новое программное обеспечение.
2. Проверка уровня знаний и квалификации пользователя – надо создать систему интерактивного экзаменатора.
3. Допуск к дистанционному эксперименту – следует разработать интеллектуальный центр принятия решений, который будет выносить свой вердикт.
4. Онлайн контроль над действиями удаленного оператора микроскопа – полезно иметь систему мониторинга и оценки проводимых действий, выбора режимов и параметров сканирования и т.д.
5. Система защиты от несанкционированных действий, умыслов хакеров и пр. – полезно использовать как стандартные, так и оригинальные методы.
6. Информационные ресурсы и обучающая среда – их разнообразие и полнота будут только способствовать эффективности дистанционного обучения.