Программа дисциплины «Технологические процессы создания наноструктурных материалов для отраслей наноиндустрии»

Ответы

Тема 1. Введение в нанотехнологию. История. Основные понятия. Проявления особых свойств малых частиц вещества по сравнению свойствами массивного (однородного) материала.

Начало научного изучения наноструктурного состояния вещества – исследования в области коллоидной химии – середина XIX века. Однако: Коллоидное золото имеет тысячелетнюю историю. Первая книга о коллоидном золоте – 1618 г. (первый пример нанотехнологий). Витражи средневековых церквей оказались не просто украшением – под воздействием солнечного света они работают как очистители воздуха (профессор технологического университета Квинсленда Чжу Хуай Юн). Причина – золотая краска, применявшаяся в росписи. На стекле золото организуется в частицы, чей размер составляет несколько нанометров. Свет, являющийся по природе электромагнитным излучением, вступает во взаимодействие с магнитным полем наночастицы, которое создают электроны ее атомов.

В результате колебания магнитного поля становятся настолько сильными, что могут приводить к разрушению молекул некоторых соединений, находящихся вблизи золотых наночастиц - например, так называемых летучих органических соединений.

В результате "работы" витражей из таких соединений получаются безвредные вещества и небольшое количество углекислого газа.

1919 г. шведский ученый Т. Сведберг создал метод выделения коллоидных частиц из растворов с помощью ультрацентрифуги. В 1926 году Сведбергу присуждена Нобелевская премия. XX век. Интенсивное развитие исследований в области гетерогенного катализа, ультрадисперсных порошков и тонких пленок. Остро возникает вопрос о влиянии малого размера изучаемых объектов на их свойства. В 1931 году Э.А.Руска построил первый просвечивающий электронный микроскоп. Это позволило детально видеть клеточные структуры. (очень важно для нанотехнологий!) Эрнест Август Руска (Германия) получил Нобелевскую премию по физике 1986 г. за разработку электронного микроскопа 50-е годы – Ленинская премия И.Д.Морохову и др. (Минсредмаш СССР) за разработку фильтров для молекул газа U²³⁵F₆ и U²³⁸F₆ 1959 г. – Лекция нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана. «Внизу [масштабнойшкалы] полноместа» («There'sPlentyofRoomattheBottom»). достаточно «всего лишь» создать и запустить механизм, способный воспроизвести и запустить свою собственную уменьшенную копию! 1974 г. – Введение в обиход термина " нанотехнология" японским ученым Норио Танигучи: Нанотехнология – обработка, разделение, объединение и деформирование материалов с помолекулярной и поатомной точностью. 1981 г. – Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в Швейцарском отделении фирмы IBM. 1981 г. - Работа Эрика Дрекслера "Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии"На основе биологических моделей ввел представление о молекулярных робототехнических машинах. 1982-1985 гг. – Достижение атомарного разрешения при исследовании топографии поверхности с помощью СТМ. 1985 г. – Открытие фуллеренов C₆₀ и C₇₀ – новой модификации углерода (Ричард Смэлли, 1996 Нобелевская премия). Фуллерены – сферообразные наночастицы из атомов углерода, составленных в пяти- и шестиугольные конфигурации. 1986 г. – Изобретение сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ), способного работать с непроводящими поверхностями. 1991 г. – Открытие нанотрубок японским исследователем Иджима

Наноматериалы¹ – вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Наноматериалы² – материалы, у которых количество атомов (молекул) на поверхностях структурных элементов сопоставимо с количеством атомов (молекул) в объеме.

Нанонаука¹ – совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом масштабе.

Нанонаука² – система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов.

Нанопористые материалы – материалы, содержащие поры; могут рассматривать как нанокомпозиционные материалы, в которых поры играют роль второй фазы, случайно или закономерно распределенной в матрице.

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, гигантских эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Наноструктурные материалы – материалы с микро- и макроскопическими размерами, построенные (структурированные) из отдельных нанообъектов – нанокерамика, нанопористые материалы и др.

Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Нанотехнология¹ – совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология² – совокупность методов, позволяющих целенаправленно создавать нанообъекты с заранее заданными составом, размерами и структурой.

Нанодиагностика – совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Наноинженерия – поиск эффективных методов применения наноматериалов.

Свойства наноматериалов. Основные отличительные свойства наноматериалов:

1) суперминиатюрность, позволяющая на единице площади разместить большое количество функциональных наноустройств или проникать им в недоступные для других веществ части микромашин;

2) большая площадь поверхности, ускоряющая взаимодействие между наноматериалами и средой, в которую они помещены;

3) отсутствие точечных дефектов, вследствие чего прочность наноматериалов в десятки раз превышает прочность стали.