Этим летом Образовательный центр «Сириус» в городе Сочи провел традиционную смену по проектной деятельности для одаренных детей, после чего принял у себя Молодежный форум «Наноград-2017». В обоих проектах участие приняла команда Университета ИТМО, в которую вошли специалисты и аспиранты кафедры нанофотонки и метаматериалов Университета ИТМО, а также сотрудники инновационного предприятия «НТ-СПб» – резидента Технопарка Университета ИТМО. О том, почему в последние годы работать над комплексными проектами учат со школьной скамьи и какие проекты оказываются наиболее востребованными, рассказывает ITMO.NEWS

Проектная деятельность – это формат обучения, пользующийся наибольшей популярностью в последнее время. Его особенность состоит в том, что ученики решают комплексную проблему, включающую в себя целый ряд задач. Ученикам предлагается открытый проект (он может быть инженерным, исследовательским, инновационным), реальная задача из науки, бизнеса или промышленности, нуждающаяся в решении. Она может быть упрощена для ребят школьного возраста, однако на повестку выносятся именно те вопросы, которые не имеют на данный момент готового решения и с которыми дети, как правило, справляются эффективнее взрослых за счет возможности взглянуть на них «свежим взглядом».

В таком формате раз в год работает и образовательный центр «Сириус», где одна из многочисленных смен называется «Проектная смена». В этом году она стартовала в начале июля, с темой «Большие вызовы». В течение 26 дней школьники в возрасте 14–17 лет ежедневно работали над разработкой решений для различных проектов.

Всего в «Сириусе» три крупных направления: Наука, Спорт и Искусство. Категория «Наука» делится, в свою очередь, на 12 направлений. У каждого из 12 направлений есть руководящая организация или курирующая группа. Специалисты, входящие в эти группы, предлагают воспитанникам лагеря свои исследовательские, инженерные и научные проекты. Одним из направлений под названием «Микромир и микроскопия» в этом году впервые руководил Университет ИТМО. Вуз подготовил для ребят три исследовательских и инженерных проекта, в рамках каждого из которых школьникам предстояло разработать готовые решения. Коллегами по цеху для Университета ИТМО стал МГУ, не первый год курирующий направление «Нанотехнологии», а также МИСиС, который дебютировал в этом году с направлением «Новые материалы».

Руководителем направления «Микромир и микроскопия» стал профессор кафедры фотоники и метаматериалов Университета ИТМО Александр Голубок, методистами – сотрудники кафедры Михаил и Иван Мухины, а непосредственными руководителями проектов, занимающимися ежедневно с детьми, стали аспиранты Университета ИТМО Филипп Комиссаренко, Михаил Жуков и Станислав Лукашенко. Кроме того, во время смены в лагерь по приглашению сотрудников вуза приезжали лекторы, которые выступали перед всем потоком направления «Наука» (порядка 150 человек из 400). От Университета ИТМО с лекциями выступили Александр Голубок (тема «Туннельные явления в природе – сканирующая туннельная микроскопия»), Павел Белов (тема «Что такое нанофотоника и кто такие метаматериалы») и Нина Яныкина (тема «Интеллектуальная собственность в проекте»).

«Дети отбирались на смену на конкурсной основе: в течение полугода они работали над проектами, после чего присылали экспертам готовые решения в виде презентаций и проходили таким образом отбор. Эксперты, в свою очередь, ранжировали поступающих по определенным областям. Для этого под каждый проект направления в Университете ИТМО сделали входные тесты и задачи для того, чтобы проверить детей и дать им возможность подготовиться к смене. Предварительная подготовка была важна, так как нанотехнологии – междисциплинарная область: тут и физика, и химия, и биология, и информационные технологии, и другие науки. Ребятам предстояло сформировать команды из представителей с разными компетенциями», – поделился методист направления Михаил Мухин.

По словам руководителя направления Александра Голубка, успех смены был продиктован хорошо продуманным выбором проектов. Всего Университет ИТМО предложил три проекта, над каждым из которых трудились по пять школьников из разных городов России.

«Когда мы приехали на смену, мы только сформулировали цель проекта, не предлагая школьникам конкретных путей ее достижения. То есть сделали введение в предметную область (в чем глобальная история) и конкретизировали основные задачи, требующие решения. Дети сами уже придумывали решения, сами организовывали и планировали свою деятельность. Руководители проектов только курировали их работу, помогая понять, насколько удачна та или иная идея», – рассказывает Иван Мухин.

Подготовка к смене осуществлялась в наноклассе физико-технического факультета Университета ИТМО с использованием оборудования, разработанного и изготовленного в Технопарке ИТМО инновационной компанией «НТ-СПб». Именно благодаря этой научно-технической базе кураторы направления смогли правильно организовать подготовку, экспериментально проработав ключевые моменты проектов.

Университет ИТМО привез в лагерь собственное оборудование. Несмотря на то, что в научном центре «Сириуса» представлен широкий набор «инструментов», материалов и реактивов, все направления вынуждены подстраиваться под приборную базу «Сириуса», которая не в состоянии учитывать особенности всех проектов. Поэтому петербургский вуз поделился с Сириусом своим оборудованием и организовал доставку в Сочи своего нанокласса, состоящего из четырех сканирующих зондовых микроскопов NanoTutor, установки для изготовления нанозондов Etchenger, виртуальных тренажеров.

По словам аспиранта ИТМО Филиппа Комиссаренко, руководителя проекта «Защитные нанометки», школьники имели возможность работать на приборах, доступных далеко не для всех студентов вузов. Дети быстро освоили работу на сканирующем зондовом микроскопе благодаря виртуальному тренажеру и специально разработанному учебно-методическому комплексу. На автоматизированной технологической установке Etchenger они сами изготавливали нанозонды из вольфрамовой проволоки и с их помощью исследовали микро- и нанообъекты, самостоятельно работая на зондовом микроскопе NanoTutor. Интересно, что NanoTutor использовался не только в проектах Университета ИТМО, но и помогал решать задачи в рамках других проектов.

«В “Сириусе” также находился зондовый микроскоп, выпускаемый зеленоградской компанией, но, во-первых, это был всего один прибор, а во-вторых, его обслуживал взрослый оператор и дети были лишены возможности самостоятельно работать на приборе. Мы же хотели дать школьникам такую возможность. Кстати, Университет ИТМО первым в России стал использовать сканирующую зондовую микроскопию и литографию в образовательных целях. Концепция учебно-научного сканирующего зондового микроскопа родилась в Технопарке ИТМО более 15 лет назад, поэтому у нас накоплен большой опыт и мы понимаем, каким должен быть прибор и что учебно-методическое обеспечение не менее важно, чем “железо”. В нашем последнем проекте “NanoTutor” сконцентрирован опыт многих лет», – поделился руководитель направления «Микромир и микроскопия» Александр Голубок.

Команда Университета ИТМО предложила школьникам три абсолютно разных проекта. Ребята самостоятельно выбрали свой, опираясь на личные предпочтения и навыки. Ребята с химико-биологическим уклоном подготовки выбрали проект, посвященный «приживляемости» титановых имплантов, химики – проект с наношампуням, а те, кому интересны физика и оптика, занялись защитой подлинности документов на наноуровне.

«Это было глубокое погружение. Ребята с 9 утра до 23 вечера ежедневно работали над поставленными задачами. Во всех проектах дети занимались тем, чем они никогда не занялись бы ни в школе, ни в кружках. Дети приехали в “Сириус” из разных уголков России, где совершенно разные образовательные возможности – не везде есть достаточно развитая инфраструктура для занятий наукой в их возрасте. Поэтому они получили серьезный опыт, который важен для них, в том числе для дальнейшей профориентации», – поделился аспирант Филипп Комиссаренко.

Каждый проект включал научную составляющую, инженерную, экономический просчет и социальный аспект. Это был комплексный продукт, прототип которого, по словам руководителей проектов, можно выводить на рынок. В конце смены состоялась выставка, где были представлены все 83 проекта. Работы под эгидой Университета ИТМО получили самые высокие баллы.

Титановые импланты

Руководитель проекта – Станислав Лукашенко, аспирант Университета ИТМО

Россия занимает первое место по производству титана, однако все качественные титановые импланты являются импортными и закупаются за границей, несмотря на то, что в России есть высококвалифицированные материаловеды, а также богатая культура и опыт работы с титаном.

«Мы предложили школьникам разработать и исследовать различные методы модификации поверхности титановых сплавов для их использования при изготовлении медицинских имплантов», – говорит руководитель проекта Станислав Лукашенко.

При работе с титановыми имплантами, во-первых, очень важно выбрать нетоксичный сплав и чистую с экологической точки зрения технологию производства и обработки поверхности, во-вторых, важно уметь управлять их смачиваемостью.

«Существуют постоянные и временные (удаляемые) импланты. Перед школьниками была поставлены задача исследовать, как разные методы обработки влияют на смачиваемость и приживляемость импланта. Так как речь шла одновременно как о гидрофобности и гидрофильности поверхностей, так и о максимальной и минимальной приживляемости, то экспериментально проверялись совершенно разные идеи по обработке имплантов, что вызывало неподдельный интерес у ребят», – комментирует аспирант Университета ИТМО.

В ходе работы над проектом школьники реализовали масштабные биологические тесты. Микро- и наноструктура поверхности исследовалась в цифровом оптическом и сканирующем силовом микроскопах, измерялся угол смачивания для поверхностей, подготовленных разными способами, а затем исследовалась динамика роста клеток, в зависимости от гидрофобности (гидрофильности) поверхности титана. В экспериментах использовались клетки подкожной соединительной ткани мыши, предоставленные Институтом цитологии РАН.

Управление приживляемостью титановых имплантов – пример комплексного проекта. С одной стороны, это материаловедение, а с другой – клеточная биология, химия, обработка изображений и другие научные области. Член-корреспондент РАН Владимир Комлевотметил идеи школьников и рассказал о последних решениях в области протезирования и имплантации. По результатам этого проекта, реализованного целиком в «Сириусе», планируются подача предложения на грант РФФИ.

Наношампуни

Руководитель проекта – аспирант Университета ИТМО Михаил Жуков

В рамках второго проекта школьники создали новую добавку к шампуням на основе наночастиц. Воспитанники Центра «Сириус» разработали рецептуры двух добавок к шампуням: одна для жирных волос, другая – для сухих и нормальных. Новые добавки универсальны: ими можно модифицировать любое средство для мытья головы.

С помощью нанокомплексов ребятам предстояло улучшить отечественный недорогой шампунь. Чтобы нормализовать структуру волоса, люди издавна используют отвары различных растений, обогащают шампуни растительными экстрактами. С развитием технологий в косметологии стали использоваться специальные добавки на основе наночастиц.

Обычно к шампуню прилагают одну добавку, но воспитанники лагеря решили использовать сразу несколько. Изучить проблему детально ребятам помог сканирующий зондовый микроскоп NanoTutor – с его помощью ученики рассмотрели на наномасштабе кутикулы волоса, что позволило подобрать необходимые добавки. Всего Университет ИТМО привез с собой порядка десяти нанодобавок, но этого оказалось ребятам недостаточно, и некоторые добавки они создали самостоятельно.

«Ребята проявили большой интерес к проекту, были очень самостоятельными, что очень порадовало», – делится впечатлениями об одаренных школьниках Михаил Жуков.

После завершения работы над проектом руководитель Департамента проектной и инновационной деятельности Университета ИТМО Нина Яныкина помогла юным разработчикам составить патент. По словам Михаила Жукова, получившийся проект – не только исследовательская и инженерная работа, здесь ребята также поработали с инструментами коммерциализации научной разработки. Более того, в рамках проекта школьники провели социологический опрос.

По завершении проекта школьники также подготовили научную статью, которая в скором времени будет опубликована. Также ученики сняли рекламный клип, пройдя таким образом полный цикл от идеи до вывода продукта на рынок с помощью маркетинговых инструментов. Подробнее о проекте можно прочитать здесь.

Защитные нанометки

Руководитель проекта – аспирант Университета ИТМО Филипп Комиссаренко

В этом проекте школьники работали над созданием нанометок для защиты бумажных документов от подделки. По словам Филиппа Комиссаренко, несмотря на то, что сегодня идет активный переход на электронный документооборот, остается большой процент бумажных материалов, которые нуждаются в защите от подделки. Все существующие методы (водяные знаки, микропечать и прочие) реализованы на макроуровне, учащиеся «Сириуса» стали работать над методом на наноуровне, что позволило скрыть сам факт защиты.

Другими словами, понять, что объект защищен, трудно даже с помощью оптики, если не знаешь, где находится метка. Создание нанометок осуществлялось с помощью сканирующего зондового микроскопа NanoTutor, который позволяет не только визуализировать поверхность, но и выполнять наногравировку в режиме динамической силовой литографии. Считывание изображения защитной нанометки осуществлялось с помощью оптического микроскопа в режиме темного поля. Для исключения возможности подделки защитной метки школьники предложили сделать метки индивидуальными. В рамках проекта ученики разработали программное обеспечение для автоматизированной обработки изображений и сравнения с базой данных, куда вносились индивидуальные изображения меток.

Размер созданной метки – 100 микрон, а величина одиночного элемента метки — 0,3 микрона (для сравнения – человеческий волос имеет диаметр около 150 микрон). Полученный метод позволяет защищать не только бумажные документы, но и культурные ценности и другие объекты. Если модифицировать технологию, то можно защищать даже деньги. В конце работы ученики связались со «Сбербанком» и предложили компании свою разработку. По словам кураторов, для запуска метода в работу остается сделать его более тиражированным. Подробнее с проектом можно ознакомиться здесь.

Чтобы сделать спектр предлагаемых проектов более широким, к следующей проектной смене в «Сириусе» планируется организовать внутренний конкурс в Университете ИТМО для отбора наиболее интересных и оригинальных тем инновационных проектов, причем планируется увеличить количество проектов приблизительно в два раза. Возможному изменению подлежит и название всего направления: название «Микромир и микроскопия» руководитель направления Александр Голубок предлагает заменить на «Нанополигон».

«Проанализировав все проекты, а их было 83, можно констатировать, что проекты Университета ИТМО оказались очень удачными. Об этом говорит и то, что информация о наших проектах попала в СМИ. Удача пришла не случайно, а благодаря комплексному подходу: поддержка университета, Департамента проектной и инновационной деятельности и нового физико-технического факультета, помощь малого предприятия «НТ-СПб» Технопарка вуза, опыт руководителя направления, продвинутые аспиранты, активные и квалифицированные методисты в лице братьев Мухиных. Силы всех ресурсов работали одновременно и были направлены в одну сторону, что позволило предложить интересные проекты, которые школьники с успехом реализовали, пройдя путь от идеи до готового продукта. Будущее таких смен именно в комплексных проектах, потому что они ближе всего к жизни. Ведь в жизни нет «чистой» математики или химии – все работает в комплексе», – поделился Александр Голубок.

Конференция «Наноград»

Через два дня после завершения проектной смены в «Сириусе» стартовала ежегодная десятидневная конференция «Наноград», организованная Школьной лигой РОСНАНО – сообществом из 400 школ, в которых активно развиваются нанотехнологии.

Основной задачей школьников на «Нанограде» было решение кейсов, предложенных компаниями. Это были разноплановые задачи из мира нанотехнологий, фармакологии, энергетики и образования. Задачи во многом решались теоретически и «на бумаге». При этом детям был предложен специальный дополнительный формат – мастерские, целью которых было научить школьников новым навыкам. Мастерские проводились в формате факультатива и были связаны не только с наукой и инженерией. Ребята сами выбирали понравившиеся мастерские и записывались на них в первый день «Нанограда».

«Организаторы подготовили серию мастерских, где ученики могли научиться самостоятельно работать с новым для себя типом оборудования. Университет ИТМО сделал мастерскую по сканирующей микроскопии. Дети в течение семи дней обучались работать на силовом микроскопе-литографе, а полученные результаты предъявили на ярмарке», – рассказывает Михаил Мухин.

Руководителем мастерской выступил Виталий Школдин, а профессор Голубок прочитал общепотоковую лекцию «Нанодиагностика в нанотехнологиях».

«В первый же день на мастерскую Университета ИТМО пришла большая группа ребят – в три раза больше, чем планировалось изначально. Такое отношение к технологиям и науке показывает настроение и интересы современных школьников. Они с энтузиазмом обучились основам работы на сканирующем зондовом микроскопе, а ближе к завершению смены, воодушевившись процессом нанолитографии и проектом защиты документов, реализованным в рамках Сириуса, создали нанометку на игровой валюте “Нанограда”», – заключает Виталий Школдин, руководитель мастерской Университета ИТМО.