МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

«Основи нанотехнологій функціональних та

конструкційних матеріалів»

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до практичних робіт і контрольні завдання для

самостійної роботи студентів денної та заочної форми навчання з курсу «Основи нанотехнологій функціональних та конструкційних матеріалів» .

(для студентів спеціальностей напряму « Будівництво»)

Київ 2012

УДК 547

Укладач О.В.Присяжна, кандидат хімічних наук, доцент

Рецензент Г.М.Кочетов, д-р техн. Наук, професор

Відповідальний за випуск В.Г.Гречанюк, канд.. хім. Наук, професор

Затверджено на засіданні кафедри хімії , протокол № 2, від 04 вересня

2012 Року

«Основи нанотехнологій функціональних та конструкційних матеріалів » Методичні вказівки для практичних робіт і контрольні завдання для самостійної роботи студентів з курсу «Основи нанотехнологій функціональних та конструкційних матеріалів » (для студентів спеціальностей напряму «Будівництво») ( Уклад. О.В.Присяжна, - Київ: КНУБА, 2012. – 62 с.)

Призначено для студентів спеціальностей напряму «Будівництво» для використання студентами на індивідуальних, практичних та самостійних заняттях за курсом «Основи нанотехнологій функціональних та конструкційних матеріалів», для закріплення теоретичного курсу, підготовки до заліку та виконання контрольних та модульних робіт.

ЗМІСТ

1. Вступ................................................................................................................4

2. Самостійна робота № 1. Введення. Особливості взаємодій в наномасштабі. Основні поняття. Визначення наук про наносистеми і нанотехнології. Історія виникнення нанотехнологій………………………...5

3. Самостійна робота № 2. Об'єкти нанохімії - наночастки та наноматеріали. Класифікація наночасток .………………………………11

4. Самостійна робота № 3 Алотропні модифікації карбону. Нанокластери карбону ( фулерени, фулериди, карбонові нанотрубки та ін.). Отримання та застосування органічних і полімерних наноматеріалів. Розумні полімери..........................................................................................16

5. Самостійна робота № 4 Особливості фізичних та хімічних взаємодій в наноструктурах. Квантові розмірні ефекти ..............................................26

6. Самостійна робота № 5 Методи діагностики та дослідження наноструктур і наноматеріалів. Зондові методи мікроскопії та інші спектроскопії………………………………………………………………33

7. Самостійна робота № 6 Методи та процеси отримання наночасток і наноматеріалів .............................................................................................40

8. Самостійна робота № 7 Нанотехнології у виробництві будівельних матеріалів. Актуальні проблеми нанотехнологій та наноіндустрії. Сучасні світові досягнення…..……………………………………………49

9. Приклади типових задач, тестів та контрольних запитань до підсумкових модульних контрольних робіт ……………………………54

10. Список літератури…………………………………………………………60

ВСТУП

Згідно з освітньо-кваліфікаційною характеристикою (ОКХ) бакалавр та магістр спеціальностей напряму «Будівництво» повинен мати фундаментальну наукову і практичну підготовку з хімії, матеріалознавства, фізики для вирішення задач у будівельно-технологічній та інших галузях промисловості. Орієнтуватися у сучасних досягненнях технологій по створенню нових матеріалів. Нанонауки і нанотехнології - це галузь наукової діяльності молодих. Метою програми «Основи нанотехнологій функціональних та конструкційних матеріалів» є підготовка висококваліфікованих інженерів-дослідників, інженерів-технологів, інженерів-конструкторів і керуючого персоналу для ефективного розвитку даного напрямку в загально-національному масштабі. Поряд з іншими дисциплінами, що забезпечують досягнення цієї мети, знання у галузі найсучасніших нанотехнологій – є необхідним компонентом базової підготовки. Сучасна освіта дозволяє працювати у високотехнологічних сферах діяльності. Нанотехнології входять до переліку пріоритетних напрямків розробок у всіх розвинених країнах світу і є однією з найбільш затребуваних ринком областей знань. Технологи повинні легко адаптуватися та займатися дослідженням і розробкою ефективних матеріалів різного призначення, технологічними процесами виробництва, обробки та переробки нових матеріалів.

Аналіз сучасних тенденцій впровадження нових будівельних технологій і матеріалів в економічно розвинених країнах світу дозволяє стверджувати, що основою динамічного розвитку на найближчі 10-20 років стануть матеріали і технології, отримані на основі досягнень і розробок в області нанотехнологій. Виробничі нанотехнології ставлять специфічні завдання до проектувальників і будівельників усіх спеціальностей.

Між тим практичне використання досягнень фундаментальної науки в області нанотехнологій для будівництва є стратегічним напрямом розвитку прикладної будівельної науки. Отже, «Основи нанотехнологій» є однією з основних теоретичних та практичних дисциплін при підготовці спеціалістів за напрямами « Будівництво».

Процес знайомства з історією, розвитком нанотехнологій та вивчення основ нанотехнологій функціональних та конструкційних матеріалів базується на лекційному курсі. Особливість наноіндустрії полягає в тому, що вона вимагає міжгалузевих знань. Дослідження, які ведуться в цій області, носять міждисциплінарний характер, і, щоб бути успішним у сфері нанотехнологій, фахівець зобов'язаний знати хімію, фізику, математику, біологію і багато що інше. У курсі студенти дізнаються про особливості речовини в наноструктурованому стані, принципи, методи нанотехнологій, хімічні та фізичні властивості нанооб'єктів, про стійкість нанооб'єктів, кінетику та квазірівновагу процесів в наносистемах .

Зрозуміло, що засвоєння навчального курсу має на увазі не тільки лекційний курс, а й участь студентів в семінарських, практичних заняттях під керівництвом викладача. Але потрібна наполеглива самостійна робота. Цей момент і є миттю справжнього пізнання, виникнення інтересу до нової дисципліни. Курс лекцій та методичні вказівки надають можливість систематизувати велику кількість фактів та величезний потік інтернет – інформації за темою нанотехнологій, застосовувати й удосконалювати теоретичні знання в ході практичних занять, реалізувати себе у сфері новітніх наукоємних технологій, пояснювати явища, що відбуваються на нанорівні, орієнтуватися та вміти прогнозувати можливості використання нанотехнологій та наноматеріалів у виробництві і повсякденному житті, самостійно поповнювати, систематизувати і застосовувати знання в цій галузі для розв’язання завдань практично-професійно орієнтованого змісту, користуватись навчальною і довідковою літературою, інтернет джерелами, розв’язувати хіміко-нанотехнологічні задачі.

Методичні вказівки містять плани підготовки до семінарських та практичних занять, короткі пояснення основних термінів та явищ конкретної теми, задачі (завдання), теоретичні питання, теми пропонованих доповідей за кожною темою курсу нанотехнологій, виконання яких враховується при плануванні, організації, стимулюванні, обліку та контролі самостійної роботи студентів.

Самостійна робота № 1

Введення. Особливості взаємодій на наномасштабі. Основні поняття та визначення наук про наносистеми і нанотехнології. Історія виникнення нанотехнологій і наук про наносистеми.

При підготовці до практичних робіт за цим розділом особливу увагу треба приділити специфічним властивостям, використанню та класифікації нанооб’єктів, що зумовили виділення нанотехнологій в окрему наукову дисципліну. Вивчити історію розвитку цієї галузі, основні відкриття, шо зумовили бурхливий розвиток нанотехнологій.

Особливо слід сказати про деякі термінологічні особливості. Велике поширення набули такі терміни з префіксом «нано», як «нанотехнологія»,

«наноелектроніка», «нанохімія». Є думка, що на сьогоднішній день у світі немає стандарту, що описує, що таке нанотехнології, що таке нанопродукція. В Єврокомісії створена спеціальна група, якій дали два роки на те, щоб розробити класифікацію нанопродукціі. Серед підходів до визначення поняття "нанотехнології" є наступні: 1. В Технічному комітеті ISO / ТК 229 під нанотехнологіями мається на увазі наступне:

• знання і керування процесами, як правило, в масштабі 1нм ( 10^-9м) (яке не виключає масштаб менше 100 нм в одному або більше вимірах), коли введення в дію розмірного ефекту (явища) призводить до можливості нових застосувань;

• використання властивостей об'єктів і матеріалів у нанометровому масштабі, які відрізняються від властивостей вільних атомів або молекул, а також від об'ємних властивостей речовини, що складається з цих атомів або молекул, для створення більш досконалих матеріалів, приладів, систем, що реалізують ці властивості.

2. Відповідно "Концепції розвитку в Російській Федерації робіт в галузі нанотехнологій " нанотехнологія визначається як сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати об'єкти, що включають компоненти з розмірами менше 100 нм, хоча б в одному вимірі, і в результаті цього отримувати принципово нові якості, що дозволяють здійснювати їх інтеграцію в повноцінно функціонуючі системи більшого масштабу .

В американській літературі поняття «нанотехнологія» прийнято визначати як уміння цілеспрямовано створювати і використовувати матеріали, пристрої та системи, структурні елементи яких мають розмір приблизно 1 - 100 нм. Наука про малорозмірні об'єкти (nanoscience) - це сукупність знань про властивості речовин і явищ в нанометровом масштабі:

10 ^-9 м = 1 нм = 10 Å (ангстрем) , 1 мкм (мікрон) = 10³ нм .

Наносвіт - процес еволюції і розширення сфер пізнання від простих і реально відчутних форм і розмірів: дека (10) до великих і надвеликих, з одного боку, - гекто (10²), кіло (10³), міріан (10⁴), мега (10⁶) , гіга (10⁹), тера (10¹²), пета (10¹⁵), екса (10¹⁸) і до малих і над малих, з іншого боку - деци (10^-1), санті (10^-2), мілі (10^-3), мікро (10^-6), нано (від грецького слова «карлик»,10^-9), піко (10^-12), фемто (10^-15), атто (10^-18). Більшість атомів мають діаметр від 0,1 до 0,2 нм, а товщина ниток ДНК - близько 2 нм. Нанометр у стільки ж разів менше одного метра, у скільки товщина пальця менше діаметру Землі.

З точки зору хімії: нанотехнологія, нанонауки - це наука і технологія колоїдних систем. Принципова відмінність колоїдних систем, в тому, що поверхня таких частинок або величезних молекул надзвичайно велика по відношенню до їх обсягу. Такі частинки займають проміжне положення між істинними гомогенними розчинами; сплавами, і звичайними об'єктами макросвіту, такими, як стіл, книга, пісок. Їх поведінка, завдяки високорозвиненої поверхні, сильно відрізняється від поведінки та істинних розчинів і розплавів, та об'єктів макросвіту. Як правило, такі ефекти починають відігравати значну роль, коли розмір частинок лежить в діапазоні 1-100 нанометрів: звідси прийшло заміщення слова колоїдна фізика, хімія, біологія на нанонауки і нанотехнології, маючи на увазі розмір об'єктів, про які йде мова.

Батьком нанотехнології можна вважати грецького філософа Демокріта. 400 років до н. е. він вводить термін «атом» (неподільний), і це вже початок «наносвіту». Прикладом першого використання нанотехнологій можна назвати - винахід у 1883 році фотоплівки Істменом, який згодом заснував відому компанію Kodak, також промисловість скористалася перевагами нанотехнології в 1902 р., коли для вулканізації були використані дрібні частинки (розміром в декілька нанометрів) сажі з надзвичайно розвиненою поверхнею. Цікавий і такий факт: в області нанотехнологій встигли відзначитися ледь не всі визначні вчені XX століття. Мабуть, першим вченим, що використав цю одиницю виміру, був Альберт Ейнштейн, який у 1905 р . теоретично довів, що розмір молекули цукру дорівнює одному нанометру, мільярдну частку метра, або одну мільйонну шпилькової голівки, або одну тисячну довжини бактерії .

Велике значення для нанотехнології мали наступні відкриття XX ст. :

1931 рік. Німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Руска створили електронний мікроскоп, який вперше дозволив досліджувати нанооб'єкти.

1959 р. Багато джерел (в першу чергу англомовні), пов'язують нанотехнології з відомим виступом Річарда Фейнмана "Там внизу - багато місця" ( англ. " There's Plenty of Room at the Bottom " ), в Каліфорнійському технологічному інституті на щорічній зустрічі Американського фізичного товариства. Фейнман припустив, що можливо механічно переміщати поодинокі атоми, за допомогою маніпулятору відповідного розміру, принаймні, такий процес не суперечив би відомим на сьогоднішній день фізичним законам. Тоді його слова здавалися фантастикою тільки лише з однієї причини: ще не існувало технології, що дозволяє оперувати окремими атомами на атомарному ж рівні. Така можливість з'явилася лише в 1981 році, після відкриття скануючого тунельного мікроскопу.

1968 р. Альфред Чо і Джон Артур, співробітники компанії Bell, розробили теоретичні основи нанотехнології при обробці поверхонь.

1974 рік. Японський фізик Норіо Танігучі ввів у науковий обіг термін "нанотехнології", яким запропонував називати механізми розміром менше одного мікрону.

1981 р. В швейцарському відділенні IBM інженерами (Г. Бінніг і Г. Рорер) був розроблений скануючий тунельний мікроскоп - прилад, чутливий до змін тунельного струму між поверхнею матеріалу і надтонкої голкою. , що дало можливість не тільки отримувати зображення окремих атомів, а й маніпулювати ними. Тобто була створена технологія, про яку говорив у своїй лекції Р. Фейнман.

1985 р. Американські фізики Роберт Керл, Херольд Крото і Річард Смоллі – відкрили фулерен та вперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.

1986 р. Нанотехнологія стала відома широкому загалу. Американський футуролог Ерік Дрекслер опублікував книгу «Машини творення. Прийдешня ера нанотехнології», що стала першим посібником з цього напрямку. Дрекслер ввів нові поняття, які стали широко використовуватися. У його розумінні молекулярна технологія - створення функціональних структур і пристроїв шляхом їх складання атом за атомом або молекула за молекулою за допомогою програмованих роботів (асемблери), здатних до самовідтворення (реплікації).

1989 р. Дональд Ейглер, співробітник компанії IBM, виклав назву своєї фірми з 35 атомів ксенону.

1991 р. Японський професор Суміо Ліджіма, що працював в компанії NEC, використал фулерени для синтезу карбонових трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм. На їх основі в наш час випускаються матеріали в сто разів міцніше сталі.

1991 р . У США запрацювала перша нанотехнологічна програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю почав перейматися й уряд Японії. А от у Європі серйозна підтримка таких досліджень на державному рівні розпочалася тільки з 1997 р .

1997 рік. Ерік Дрекслер оголосив, що до 2020 р. стане можливою промислова збірка нанопристроїв з окремих атомів. До цього часу майже всі його прогнози збувалися з випередженням.

1998 рік. Голландський фізик Деккер створив транзистор на основі нанотрубок. З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.

2000 рік. Адміністрація США підтримала створення Національної Ініціативи в Області Нанотехнології / National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологічні дослідження отримали державне фінансування.

Нанотехнологія - це системоутворюючий початок Третьої, небаченої за своїм розмахом Науково-технічної революції (НТР-3) - нова реальність, яка змінить обличчя світу вже до кінця першого десятиріччя XХІ століття.