Учебно-методический комплекс по курсу: «Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий»
|
|
Скачать 1.54 Mb.
|
|
Учебно-методический материал По приоритетному направлению №2 «Реализация программ исследовательского обучения для обучающихся и педог огов на экспериментально-лабораторной базе вузов по направлениям: робототехника, нанотехнологии, биоинженерия, лазерная техника, транспорт, энергетические системы, организация и сопровождение проектной деятельности обучающихся» « 10 » Декабря 2012 г Содержание Лекция 1. Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий ……………………………………………….…....3 Лекция 2. Достижения и роль робототехники в современных наукоемких технологических процессах………………………...….... 7 Лекция 3. Биоинженерия на службе здоровья человека…………………..…........... 38 Лекция 4. Лазерные технологии и их использование в области создания новых материалов………………………………………………….. 72 Лабораторная работа «Интерференция света. Измерение радиуса кривизны линзы»………………………………………..…..….. 101 Лабораторная работа «Изучение технологического процесса формообразования отверстий методом лазерной обработки»…………....109 ^ «Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий» Лекция 1. Введение Роль материалов в развитии авиационной и космической техники является основополагающей. Успешное прохождение пути от первых простейших летательных аппаратов до современных и перспективных конструкций было возможно только при разработке технологий создания адекватных задачам материалов. Однако в последние годы требования авиационной, космической и других наукоемких отраслей промышленности к служебным характеристикам изделий существенно возрастают. В то же время возможности традиционных технологий практически исчерпали себя. Стратегическим направлением в решении данных задач на сегодня является создание материалов и покрытий с размерами слоев или зерен нанометрового диапазона. Такие материалы, покрытия и структуры позволяют радикально улучшать или получать совершенно новые свойства изделий, создавать новые типы полупроводниковых приборов, расширять области применения существующих конструктивных решений. Таким образом появление новой области знаний - нанонауки в определенном смысле является требованием времени. Началом данного направления явилась лекция Ричарда Фейнмана – «Там внизу много места», прочитанная им в 1959 г. Он указал на огромные возможности для разных сфер деятельности человека при использовании наноматериалов и нанотехнологий. Фейнман так описывает последствия нанотехнологической революции для компьютеров: «Если, например, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем. Каждый, кто связан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает ее развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастет в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыт и рассчитывать собственные действия, находить новые вычислительные методы и т. п. Рост числа элементов приведет к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ». Однако следует отметить важность работы Г.А. Гамова в тридцатых годах 20 века, нашедшего решение уравнения Шредингера, описывающее возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Явление туннелирования. Важная роль книги Эрика Дрекслера «Машины созидания» в популяризации и рекламе нанотехнологий. Нанороботы. Появление нанотехнологий стало возможным после того, как научились наблюдать и перемещать отдельные атомы и складывать из них, устройства и механизмы нанометровых размеров. По мнению Феймана развитие техники манипулирования на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии. Таким образом четко проявляет себя междисциплинарность науки о наномире. Наноматериалы (2 часа) История развития методов наблюдения микро и нанообъектов. Системы сканирующей зондовой микроскопии. Системы нанопозициониования и наноманипуляторы. Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их, стали сканирующие зондовые микроскопы - атомно-силовой микроскоп (АСМ) и работающий по аналогичному принципу сканирующий туннельный микроскопы. АСМ был разработан Г. Биннигом и Г. Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия. Основой АСМ служит микрозонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (кантилевер - cantilever - консоль, балка). На конце кантилевера находится острый шип (высота – 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм. При горизонтальном перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа совершает вертикальные перемещения, очерчивая микрорельеф поверхности. Дальше работает система детектирования и усиления сигнала. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность АСМ метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. Сканирующий зондовый микроскоп для построения рельефа поверхности использует квантово-механический «туннельный эффект» (см. выше). Электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм зависит от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности. С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно перемещать атом в точку, выбранную оператором. Структурная классификация нанообъектов. Наночастица – это агрегат атомов с размерами 1 – 100 нм, рассматриваемый как часть объемного материала, но с размерами меньше характерных длин некоторых явлений. Типы нанокристаллических материалов: 0D — (нульмерные) кластеры; 1D — (одномерные) нанотрубки, волокна и прутки; 2D — (двумерные) плёнки и слои; 3D — (трехмерные) поликристаллы. Лазерный метод получения кластеров. Масс-спектры кластеров. Электронные и структурные магические числа. Зависимость температуры плавления наночастиц от диаметра наночастицы. При уменьшении размеров частицы изменяются её термодинамические характеристики - температура её плавления становится существенно ниже, чем у макрообъектов. Причиной этого служит то, что атомы на поверхности всех кристаллов находятся в особых условиях, а доля таких «поверхностных» атомов у наночастиц становится очень большой. Углеродные нанотрубки – это протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах - они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки. Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Углеродные нанотрубки получают в основном методом термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. В плазме происходит интенсивное термическое испарение анода и на поверхности катода образуется слой из углеродных нанотрубок, имеющих длину около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. ^ (3 часа) Огромное значение для промышленности имеют консолидированные наноматериалы. Основной элемент структуры консолидированных наноматериалов — зерно или кристаллит. Методы получения консолидированных наноматериалов:
Порошковая технология Основные методы получения нанопорошков:
Метод электровзрыва металлических проволок интересен тем, что получаются нанопорошки металлов с очень высокой поверхностной энергией, что позволяет проводить компактирование при пониженной температуре. ^ позволяет создавать наноструктуру непосредственно у макрообъектов. Нанесение пленок и покрытий Нанесение пленок и покрытий наряду с порошковой технологией является самым распространенным комплексом методов получения консолидированных наноматериалов. Известно, что тонкие пленки имеют физические свойства, существенно отличающиеся от свойств объемных образцов из того же материала. При уменьшении толщины пленки ниже 100 нм ее поверхностные свойства начинают доминировать над объемными. Они зависят не столько от химического состава, сколько от формы и размеров наноструктур и во многих случаях превосходят характеристики монолитных материалов. Объясняется это более совершенной структурой сверхтонких пленок и более высокой внутренней энергией за счет перераспределения вклада в прочностные свойства материала поверхности по сравнению с объемом. Например, для повышения износостойкости узлов трения авиационной техники были созданы многослойные покрытия на основе композиции углерод – металл, благодаря которым микротвердость увеличилась на 60 – 65%. Рост пленок при конденсации из паровой фазы включает несколько элементарных процессов: адсорбцию, поверхностную диффузию, флуктуационное образование зародышей и их рост. Виды наноструктурных покрытий: - двух или многослойные с бислойной толщиной 5-10 нм – сверхрешетки (superlattice); - многослойные нанокомпозитные; - однослойные нанокомпозитные. Покрытия superlattice с чередованием слоев твердый слой-«мягкий» слой имеют микротвердость выше, чем у твердого слоя. Наибольшее распространение получили нанокомпозитные покрытия, представляющие собой структуру в виде твердых ядер, расположенных в аморфной матрице. Полученные в настоящее время покрытия не уступают по твердости алмазу. Получают подобные покрытия на установках ионно-плазменного, магнетронного, электронно-лучевого и лазерного напыления. Толщины нанопокрытий измеряют с помощью оптических и электро-физических методов. Литература «Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. «Наноструктурные материалы», М., Академия, 2005. Андрюшин Е.А. «Сила нанотехнологий: наука & бизнес», М., Фонд «Успехи физики», 2007. Кобаяси Н., Введение в Нанотехнологию, изд-во Бином, 2005. Пул Ч., Оуэнс Ф. «Нанотехнологии», М., Техносфера, 2006. Харрис П. «Углеродные нанотрубы и родственные структуры», М., Техносфера, 2003. Интернет-сайты http://www.nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях #1 в России http://www.nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр» http://nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках http://www.nanorf.ru/ - журнал «Российские нанотехнологии» http://www.nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал http://www.nanoware.ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров http://kbogdanov1.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях . Контрольные вопросы 1. Какой размерный диапазон наночастиц? 2. Объяснить роль размерного фактора в свойствах нанообъектов. 3. Привести структурную классификацию нанообъектов. 4. Методы получения нанокластеров? 5. Что такое магические числа? 6. Какой принцип работы туннельного микроскопа. 7. Какой принцип работы сканирующего электронного микроскопа. 8. Что такое фуллерены? Их виды. 9. Какие существуют виды нанотрубок? 10. Перечислить виды консолидированных наноматериалов. 11. Что такое порошковая технология? 12. Что такое интенсивная пластическая деформация? 13. Что такое контролируемая кристаллизация из аморфного состояния? 14. Привести виды наноструктурных покрытий. 15. Как померить толщину покрытия? Учебно-методический комплекс по курсу: «Достижения и роль робототехники в современных наукоемких технологических процессах.» Лекция 1. Введение в специальность. Обзор состояния мировой экономики и экологии на современном этапе. Характеристика производств изделий электронной техники. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям