Лекция 12 (2ч.). Самосборка. Ультрадисперстные объемные материалы

Ассемблер — это молекулярная машина, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Рис. 33. Внешний вид ассемблера

Главная задача ассемблера - соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д.

Эрик Дрекслер, пионер нанотехнологии, назвал подобные машины «ассемблерами», т.е. сборщиками. Соответственно, подобный робот должен быть изготовлен из частей с атомарной точностью. Сделать это можно будет с помощью управляемого механосинтеза — формирования химических связей за счет механического приближения электронных оболочек атомов друг к другу.

Ассемблеры могут быть простые и сложные. Простая система состоит из руки робота и контроллера, который обрабатывает входящие сигналы (Ральф Меркле, 1996). Другая – более сложная – состоит из приблизительно 100 молекулярных «заводов», производящих части наномашин (редукторы, моторы, дифференциалы, подшипники, и др.). Архитектура такого репликатора предполагает наличие транспортировочных конвейеров и манипуляторов для крупноузловой сборки

Макрокомпьютер с поставленной задачей управляет ассемблером до тех пор, пока задача не будет реализована. После этого ассемблер переходит в режим ожидания. Реплицируется (размножается путём создания своей копии) ассемблер или по команде от макрокомпьютера или в зависимости от окружения. Для выполнения некоторых задач (например, восстановление озонового слоя планеты) для устранения всех веществ, разлагающих озон, ассемблеров необходимо строго определенное количество на кубический метр (концентрация), и, в зависимости от содержания вредных веществ в атмосфере, ассемблеры будут регулировать свое количество. Таким образом, эта система не будет зависеть от человека, а восстановление озонового слоя будет протекать в автоматическом режиме.

Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, дизассемблеры, помогут ученым и инженерам анализировать вещи. Что касается ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакций формировать связи и способность машин управлять процессом. Дизассемблеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разрушать связи, и машин - управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители, металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемые свободными радикалами, - все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольку нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимому, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по нескольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае необходимости и подходящего случая) также применять и механические силы, в результате освобождая группы атомов.

Наномашина, способная это делать, записывая, что она удаляет слой за слоем, - это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры и нанокомпьютеры будут работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна направить разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сборкой идеальной копии. И всё это ещё только некоторые намёки на реальную мощь нанотехнологии.

Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти неизбежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает следующий досягаемым, и каждый принесет непосредственный выигрыш. Первые шаги под названием "генная инженерия" и "биотехнология" уже предприняты. Кажутся возможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая разрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжаться, независимо от того, хотим мы этого или нет. И по мере того как успехи в проектировании с помощью ЭВМ будут ускорять развитие молекулярных инструментов, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.

Самореплицирующаяся структура - это такая структура, которая может производить собственные копии, построенные из того же материала, что и сам репликатор. Если не разработать технологию самореплицирующихся структур, молекулярное производство ограничится только микроскопическими продуктами. Поэтому для применения нанотехнологии в конструировании макроскопических продуктов необходимо наличие технологии создания и управления реплицирующимися структурами. Фундаментом теории самореплицирующихся структур является теория фон Неймана, написанная в 1940 году. Природа использует репликаторы повсеместно - как в клеточной машинерии клетки, так и при репликации живых организмов. Давно созданы компьютерные программы, способные к репликации, одни из них, в особенности "вирусные" программы, ведут себя подобно настоящим вирусам. Поэтому нет причин полагать, что самовоспроизводящиеся структуры создать невозможно.

Ультрадисперсные наноматериалы.

Рассмотренные выше фуллерены и нанотрубки из-за своих сверхмалых размеров относятся к ультрадисперсным.

Дисперсность – это степень раздробленности вещества на частицы. Чем меньше размер отдельной частицы, тем выше дисперсность. Большинство веществ окружающего нас мира существуют в виде дисперсных систем, например, грунты и почвы, многие технические материалы (песок, различные порошки и т.д.), некоторые продукты (соль, сахар, крупа). По степени дисперсности частицы можно разделить на грубодисперсные, высокодисперсные (или коллоидные, размер которых колеблется в пределах от 10-5 – 10-7м) и ультрадисперсные (соответственно, нанометрового порядка).

Еще в XIX веке Майкл Фарадей, впервые создав коллоидную суспензию золота, состоящую из крошечных частиц этого металла, обнаружил, что ее цвет менялся на фиолетовый, что свидетельствует об изменении отражающих свойств суспензии при уменьшении размеров частиц.

В последнее время стало известно, что наночастицы серебра оказывают антибактериальное действие, что делает их полезными для лечения многих болезней. Это свойство серебра еще в древности заметили служители церкви, используя серебро для приготовления “святой воды”. Но в виде наночастиц антибактериальная активность серебра повышается в тысячи раз!

Необычные механические свойства нанотрубок могут быть использованы при создании композиционных материалов. Так например, замена углеродного волокна углеродными нанотрубками обеспечивает существенное упрочнение композитов. Для полимерного композиционного материала с полипропиленовой матрицей введение 11 % весовых многослойных углеродных нанотрубок приводит к удвоению его прочности на разрыв. Так же вдвое повышается прочность на разрыв при создании композита на металлической основе, когда в алюминий вводят 5 % нанотрубок.
Но промышленное производство нанотрубок к настоящему времени еще не освоено.

Объёмные наноструктуры, получаемые из аморфных сплавов имеют более высокую пластичность и усталостную прочность, чем поликристаллические сплавы; в 1000 раз более высокую коррозионную стойкость (стали); в 2-2,5 раза более высокое временное сопротивление разрыву (алюминиевые и титановые сплавы); в 2-3 раза более высокие демпфирующие свойства в широком диапазоне частот; на порядок лучшие магнитные свойства (Fe-Zr-B-Cu). Такие материалы используют для изготовления сотовых конструкций, гироскопов, датчиков в космической технике, медицине, в приборостроении.

Объёмные материалы, получаемые при интенсивной пластической деформации (ИПД), имеют скорее субмикроскопическую структуру (до 100-1000 нм). При этом степень повышения механических характеристик зависит от степени измельчения зерен. Так, в стали 09Г2С при размере зерен 250-350 нм достигается в 2 раза более высокий предел текучести и в 3 раза более высокая ударная вязкость, чем при традиционных способах обработки.

Очень перспективен метод ИПД с последующим отжигом для получения наноматериалов с особыми свойствам, такими как эффект запоминания формы (ЭЗФ).
Наноматериалы на основе сплавов и нанопленки перспективны с точки зрения повышения коррозионной стойкости. К настоящему времени достигнут существенный прогресс в получении наноматериалов с уникальными магнитными свойствами.

Такие углеродные наночастицы, как фуллерены и нанотрубки, своими удивительными свойствами тоже подтверждают тот факт, что многие вещества в наноформе не ведут себя так же, как в привычном для нас виде. Это объясняется тем, что с уменьшением размеров частиц увеличивается интенсивность их взаимодействия с окружающей средой, что приводит к изменению их газонасыщенности, окисленности, токсичности, взрывоопасности, плотности и т.д. по сравнению со свойствами тех же материалов в обычной форме.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов.

Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены ультрадисперсные металлические частицы. Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или меди) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы. Ультрадисперсные материалы обычно не встречаются в природе в свободном состоянии, а представляют собой искусственный продукт.

В настоящее время существует большое количество способов измельчения веществ, например: механическое дробление (для получения различных порошков), резание (получение стружки), измельчение в шаровых, вибрационных и вихревых мельницах, измельчение ультразвуком и др.

 

Лекция 13 (2ч.). Энергетика. Машиностроение.

 

Нанотехнологии в энергетике это - прежде всего альтернативная энергетика.

1. Наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования солнечной энергии. Это обеспечит отказ от использования невозобновляемых энергоресурсов, таких как уголь и нефть. Нанотехнология позволяет повысить эффективность нефтеперерабатывающей промышленности, но она ведёт и к полному отказу от этой отрасли. Возможен полный отказ от импорта нефти через огромные запасы замороженного натурального газа (газогидрата) на дне океана и его восстановления с помощью органических нанокатализаторов. Нанотехнологии могут сделать солнечные батареи чрезвычайно эффективным источником электричества.

2. Создание газопоглощающих элементов даст возможность возможностью массового выпуска экологически безопасных средств транспорта.

3. Распространения дешёвых и эффективных солнечных батарей разрушит монополию централизованных энергетических систем, чем начнет процесс формирования нового, более эффективного, экологически безопасного и более децентрализованного энергохозяйства.

Многие возлагают надежды на нанотехнологии в решении проблемы энергетического кризиса. Нанотехнологии могут повысить эффективность солнечных батарей, помочь в улучшенном катализе нефти, создать новые источники хранения энергии и улучшить старые (аккумуляторы, батарейки, топливные элементы). Благодаря нанотехнологиям уже сделаны солнечные батареи, толщина которых не превышает толщины оберточной бумаги. Это поколение солнечных батарей отличается от аналогичных источников питания неизмеримо меньшим весом, большей гибкостью и долговечностью. Не забудем и про топливные ячейки. Эксперименты по переходу на экологически чистое водородное топливо в развитых странах проводятся уже сейчас.

Машиностроение.

Дешевые, легкие и прочные наноматериалы со временем вытеснят большинство металлов и пластмасс. Углеродные нанотрубки в сто раз прочнее стали при том, что в десять раз легче ее и в тысячи раз электропроводнее. Toyota уже добавляет их в бамперы автомобилей, но массового применения пока еще нет. Это связано тем, что пока нанотрубки получают примитивными, малопроизводительными методами, что обусловливает их слишком высокую для повседневного применения цену: 50-100 за грамм. Однако в лабораториях Концерна “Наноиндустрия” созданы образцы промышленного оборудования, производящего высококачественные нанотрубки себестоимостью на порядок меньше.

 

Конструкционные, инструментальные и триботехнические материалы.

1. 1982 – 89 г. Немецкий профессор Г. Глятер предложил концепцию твердого тела и практически реализовал способ получения компактных материалов с зёрнами (кристаллитами), ввел термин нанокристаллиты (1981 г.)

 

2. Конструкционные машиностроительные наноматериалы

общего назначения пока не получили широкого распространения.

Объясняется это:

• ограниченность размеров порошковых изделий,

• трудность сохранения наноструктуры при спекании,

• низкая текучесть и прессуемость,

• остаточная пористость (для порошковых).

Однако есть и положительные примеры:

 

q Создан высокопрочный алюминиевый сплав σв = 1.4 ГПа (Al85Ni5V8Co2) Полученный из распыленных аморфных порошков путем горячего (T ≈ 400°C) прессования под давлением 1,2 ГПа. В структуре сплава кристаллические наночастицы размером 30-100 нм, а относительное удлинение около 1%.

 

q Циркониевые сплавы с добавками Al, Ni, Ag, Cu, полученные контролируемой кристаллизацией из аморфного состояния, так же показали высокие механические свойства при испытаниях на растяжение и на сжатие с удовлетворительной пластичностью.

 

На рис. 34 приведено влияние объемного содержания V икосаэдрической нанофазы на твердость Нv (а), модуль нормальной упругости Е (б), разрушающее напряжение σ (в) и относительное удлинение ε (г) циркониевых сплавов Zr65Al0,5Ni10Cu12,5Ag5 закристаллизованных при температуре 460 °С при различном времени выдержки.

Рис. 34.

3. Несомненно, технология равноканального углового прессования широко развиваемая в России (Р.3. Валиев, С. В. Добаткин и сотр.) и в других странах, перспективна для получения высокопрочных и пластичных металлов, сплавов и интерметаллидов, которые могут найти применение не только как конструкционные материалы в машиностроении но и в качестве функциональных компонентов, например в медицине.

Механические свойства обычной и наноструктурной никелевой ленты при комнатной температуре (фирма «Ontario Hydro Technologies») (табл. 2):

Характеристика	Крупнокристаллический образец	Нанокристаллический образец
L ~ 100 нм	L ~ 10 нм
Предел текучести, MПa			>900
Предел прочности, MПa			>2000
Относительное удлинение, %		>15
Модуль упругости, ГПа
Твердость по Виккерсу, ГПа	1,4	3,0	6,5
Усталостная прочность, МПа			—
Износ, мкм2		—	7,9
Коэффициент трения	0,9	—	0,5

Табл. 2.

 

На рисунке 35 показаны диаграммы напряжение–деформация для образцов меди, полученных при комнатной температуре методом интенсивной пластической деформации путем равноканального углового прессования. Исходная крупнозернистая медь (L ~ 30 мкм) Характеризуется низкими показателями прочности и высокой пластичностью(кривая 1). Обычная прокатка с 60%-м уменьшением толщины значительно увеличивает прочность, одновременно существенно снижая пластичность (кривая 2). Два прохода равноканального углового прессования приводят к росту показателей прочности и пластичности, а после 16 проходов (размер зерна около 100 нм) увеличивается как прочность, так и, что особенно важно пластичность. Аналогичные результаты получены и для других металлов (например, титана).

Рис.35

1- исходная крупнозернистая медь;

2 - то же после холодной прокатки;

3, 4 - то же после соответственно 2 и 16 проходов равноканального углового прессования.

 

В целом, можно отметить, что характеристики прочности и твердости металлических наноматериалов выше таковых для обычных материалов примерно в 4 - 6 раз (см. табл. 1, 2), но параметры пластичности ниже, и зачастую металлические наноматериалы ведут себя как хрупкие материалы. В связи с этим важную роль при их применении играет конструктивное оформление, которое должно обеспечивать эксплуатацию изделий преимущественно в условиях сжатия (а не растяжения), что будет затруднять распространение хрупких трещин и повышать допустимый уровень разрушающих напряжений в несколько раз.

Таким образом, предпосылки для применения металлических наноматериалов в качестве конструкционных изделий имеются.

Керметные нанокомпозиты на основе А1203 с добавками Fe и FeCr (размер кристаллитов 40 — 60 нм) могут быть изготовлены механохимическим синтезом с последующим горячим изостатическим прессованием. Эти материалы, обладая твердостью 10—15 ГПа и трещиностойкостью 7-9 МПа · м0,5 могут рассматриваться как перспективные для изготовления низко- и высокотемпературных узлов трения. Многофазные оксидные и безоксидные нанокомпозиты рассматриваются также как перспективные жаропрочные материалы. Эвтектические композиты типа Al203-(Y3Al5O12)-ZrO2 с размером зерен менее 100 нм характеризуются высокой стабильностью механических свойств: при 20 °С - σB = 1,2 ГПа, при 1200 °С - σB = 1 ГПа. Высокая температурная прочность нанокомпозитов на основе SiC с различными добавками позволяет использовать их для создания газотурбинной техники.

Продолжаются исследования других объемных (bulk) наноматериалов для выявления областей их применения при изготовлении конструкционных изделий (например, материалов, полученных обработкой давлением наноструктурных металлических и керамических заготовок в режиме сверхпластичности).

Условия эксплуатации изделий из наноматериалов в инструментальной промышленности, а также в разнообразных областях общего и специального машиностроения предполагают в большинстве случаев (за исключением ударных и знакопеременных нагрузок) схему сжимающих напряжений, т.е. снижение пластических характеристик здесь не так катастрофично.

В общем случае повышение твердости влечет за собой увеличение износостойкости режущего инструмента и узлов трения в антифрикционных и фрикционных изделиях.

Высокими эксплуатационными свойствами обладает разработанный в Институте проблем материаловедения Академии наук УССР в 1970 -1980-х гг. нанокристаллический материал гексанит на основе нитрида бора (КIC = 15-18 МПа • м0,5), получаемый методом высоких давлений при высоких температурах и используемый для высокочистовой обработки резанием. Достижения и перспективы в области разработки новых сверхтвердых наноструктурных материалов на основе тугоплавких соединений рассматриваются в обзоре.

Проводятся исследования в области инструментальных наноматериалов (твердые сплавы, быстрорежущие стали, чистовой инструмент из нанокристаллов алмаза, новые сверхтвердые материалы и др.). Добавки нанопорошков карбида вольфрама (5 - 8 %) к стандартным твердым сплавам повышают однородность структуры и снижают разброс значений прочности. Широко разрекламированная в начале 1990-х гг. американская технология твердых сплавов с нанокристаллической структурой, обеспечивающая повышение эксплуатационных свойств в четыре раза (при всего лишь двукратном увеличении стоимости), до сих пор, насколько известно не получила широкого промышленного распространения, так как не всегда удается сохранить исходную наноструктуру твердых сплавов.

 

Лекция 14 (2ч.). Электроника, медицина, экология.

 

Электроника.

В информационной сфере нанотехнология представлена следующими направлениями своего развития:

1.Нанокомпьютеры

2.Квантовые компьютеры.

3.Информационные сетевые устройства (оптическая связь-фотоника и новые типы волноводов, радиосвязь-электронные устройства со сверхширокой запрещённой зоной).

4.Наноустройства хранения информации (квантовая память, одноэлектронные запоминающие устройства, магнитные среды для сверхплотной записи, наносчитывающие головки, запись информации с использованием излучения ближнего поля, прецизионные приводы-позиционеры).

5. Наносистемное моделирование (создание автоматизированных систем контроля за обработкой поверхностей наноразмерного уровня).

6. Нейроэлектрические интерфейсы (идеей построения наноустройств, которые позволят соединять компьютеры с нервной системой).

7. Искусственный интеллект и роботы

С появлением новых средств наноманипулирования возможно создание механических компьютеров, способных в кубе с ребром 100 нм функционально повторить современный микропроцессор Intel Pentium II.

Медицина.

Нанотехнологии обеспечат ускорение разработки новых лекарств, создание нанопрепаратов и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкие перспективы открываются и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение безболезненных операций, создание искусственных органов). Со временем нанобиотехнологии будут предоставлять все больше возможностей для продления человеческой жизни и профилактики болезней.

Наномедицина представлена следующими возможностями:

1. Лаборатории на чипе (исследование геномов и белков) направленная доставка лекарств в организме.

2. ДНК – чипы (создание индивидуальных лекарств).

3. Искусственные ферменты и антитела.

4. Искусственные органы искусственные функциональные полимеры (заменители органических тканей).

5. Нанороботы-хирурги (биомеханизмы, осуществляющие изменения и требуемые медицинские действия, распознавание и уничтожение раковых клеток).

Поэтому основные направления, по которым уже идут исследования можно перечислить:

1. Новые методы доставки препаратов к определенным местам в организме.

2. Расшифровка генетических кодов.

3. Разработка искусственных тканей и органов.

4. Разработка сенсорных систем, которые могли бы сигнализировать о возникновении болезней внутри организма.

5. Медицинское обслуживание с использованием дистанционного управ-ления и устройств, работающих внутри живых организмов.

6. Разработка нанонейроцевтических средств.

На рис. 36 показаны имплантируемые металлические изделия, а на рис. 37а – капсула при плохой биосовместимости. На рисунке 37,б- небольшая капсула, что свидетельствует о хорошей биосовместимости (табл.2). Покрытие имеет аморфную структуру с размерами частиц менее 60 нм.

Рис. 36.

 

Фотография капсулы вокруг имплантата:

Рис. 37а.	Рис. 37б.

Возможно создание нанороботов-врачей, способных "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение.

 

Биоинертные покрытия наноструктурированные на имплантантах получены с помощью нанотехнологий на кафедре «Технология конструкционных материалов» МАИ:

 

 

Табл. 3.

 

Сталь без покрытия	Сталь с покрытием
Zr	ZrN	ZrCxOy	Nb	NbN	Ti
16,8						10,5

 

Видно, что существенно улучшено качество покрытия на основе Z_zC_xO_y.

 

Экология

Можно выделить следующие направления развития нанотехнологии в формировании нового "безотходного" общества:

1. Отказ от производств, связанных с больших объемом отходов, и их замена на так называемые "зеленые" технологии.

2. Рационализация производственных процессов, позволяющая выпускать более легкие и мелкие изделия, что позволит снизить расходы материалов и энергии.

3. Изучение и регулирование природных явлений и процессов загрязнения окружающей среды с помощью нанодатчиков и наноэлектронных устройств.

Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожить последствия старых загрязнений — нанотехника восстановит озоновый слой, очистит от загрязнении почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры.

Использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также биосенсоров для быстрого определения химических и биологических загрязнений, синтез новых экологически чистых материалов, новые методы утилизации и переработки отходов.

Исследования, проведенные с образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе с чернобыльскими), показали возможность их восстановления с помощью нанопрепаратов до естественного состояния за несколько месяцев.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: