Загальні запитання та завдання для самостійної роботи № 6

1. Дайте короткі описи методів «знизу-вверх» (bottom-up method) і «зверху-вниз» (top-down).

2. Фізичні методи синтезу нанопорошків (метод електровибуху, механічне та ультразвукове диспергування тощо).

3. Хімічні методи синтезу наноструктурованих матеріалів. Класифікація. Наведіть 3-5 конкретних реакцій та технологій.

4. Які методи синтезу нанопорошків і консолідованих наноматеріалів можуть бути віднесені до диспергаційних методів? Які - до методів конденсаційних? Наведіть 3-5 приклади.

5. Темплатний синтез наноматеріалів та наноструктур. Підходи, засновані на принципі самозбірки. Самоорганізація нанорозмірних структур в природі та техніці.

6. Плівкові технології (хімічне та фізичне осадження з газової фази, елекроосадження, іонно-променева епітаксія, золь-гель).

7. Які основні стадії включає процес отримання плівок Ленгмюра-Блоджетт?

8. Чи можна отримати диспергаційними методами композит з частинками нанорозміру? Якщо так, то яким способом?

9. Які речовини в нанодисперсному стані отримують методом розкладання? Які речовини використовують як прекурсори?

10. В чому сутність методу швидкого термічного розкладання прекурсорів в розчині (RTDS)? Що таке надкритичний флюїдний розчин? Які явища в розчині при цьому відбуваються?

11. Методу розпилювальної сушки. Яка апаратура необхідна для цього методу? Які недоліки цього методу?

12. В чому сутність методу швидкого розширення надкритичних флюїдних розчинів (RESS)? Які переваги цього методу?

13. Якими методами можна отримувати наноплівки та нановолокна простих і складних оксидів?

14. Що таке кріопомол? Які неорганічні речовини можна отримати у вигляді нанопорошків кріопомолом?

15. Які методи осадження, використовуються для отримання нанопорошків? Які вимоги висуваються до речовини? Наведіть приклад отримання нанопорошків: простого та складного оксиду.

16. Золь-гель метод. Що таке міцелярний та полімерний гелі? Як їх отримати? Який гель використовують для отримання нановолокон?

17. У чому сутність гідротермального методу? Чому при проведенні процесу осадження в автоклаві виходить більш дисперсний порошок, ніж за звичайних умов?

18. В чому сутність методу комплексонатной гомогенізації? Чому використання комплексів металів з органічними полідентантними лігандами дозволяє отримати нанопорошок?

19. Поясніть сутність методу заміни розчинника. Які вимоги пред'являються до розчинника, що заміняє вихідний розчинник?

20. В чому сутність методів спалювання? Які прекурсори використовують в цьому методі? Які різновиди цього методу вам відомі?

21. Чому додавання в розчин гліцину або лимонної кислоти призводить, після термообробки, до отримання дрібніших частинок синтезованої речовини, ніж в методі хімічного осадження? Поясніть на прикладах.

22. Охарактеризуйте метод Печінні. Які речовини в наностані можна отримувати цим методом? Чи є обмеження у даного методу?

23. Опишіть целюлозну технологію отримання нанопорошків. В чому плюси і мінуси цього методу? Які речовини (крім целюлози) використовують як прекурсори в цьому методі?

24. В чому сутність методу піролізу полімерно-сольових плівок? Які солі і які полімери використовують в цьому методі? Переваги методу.

25. Охарактеризуйте плазмохімічний метод отримання нанопорошків. Його різновиди. Який з плазмохімічних методів (переробка газів, крапельно-рідкої сировини; твердих частинок, зважених у потоці плазми) дозволяє отримати найбільш дисперсний порошок? Чому?

26. Що таке механосінтез? Які речовини в нанодисперсному стані можна отримати механосінтезом?

27. Варіанти класифікації методів отримання наночасток і наноматеріалів.

28. Особливості отримання наноматеріалів у рідких середовищах. Стадії процесу кристалізації.Гомогенне і гетерогенне зародкоутворення. Критичний зародок. Основні теорії росту кристалів.

29. Золь-гель метод. Основні стадії процесу. Особливості гідролізу та поліконденсації в лужному і кислому середовищі.

30. Гелеутворення та синерезис. Видалення розчинника – одержання ксерогелів та аерогелів. Вплив складу реакційного середовища і умов протікання процесу на морфологію синтезованого наноматеріалу.

31. Отримання золь-гель методом наноматеріалів на основі оксидів.

32. Синтез золь-гель методом нанокомпозитів типу "неорганіка-неорганіка" та "органіка-неорганіка".

33. Синтез наночастинок в надкритичних рідинах.

34. Гідротермальний синтез наночастинок цеолітів і цеолітів з нанопористого структурою.

35. Механізм синтезу наночастинок при дії різних видів випромінювання.

36. Ультразвуковий вплив. Синтез наночастинок з аморфною та нанокристалічною структурою.

37. Одержання наночасток при розпилюванні розчинів у полум'я (мокре спалювання).

38. Випарювання та піроліз аерозолю. Наведіть приклади.

39. Вплив складу вихідного розчину і технологічних параметрів процесу на розмір та морфологію синтезованих наночастинок.

40. Електрохімічний метод отримання наноматеріалів Катодні і анодні процеси, що призводять до синтезу наноматеріалів.

41. Отримання наноструктурованих покриттів. Електроосадження наночасток.

42. Отримання мезопористих силікатів.

43. Синтез нанокомпозитів наночастинок-дендримеру.

44. Наноструктуровані матеріали. Основні методи отримання і напрямки практичного використання.

45. Порошкові наноматеріали. Основні методи отримання і галузі використання.

46. Наноматеріали на основі блок-сополімерів. Можливості практичного використання та методи одержання.

47. Наноструктуровані матеріали. Основні методи отримання і напрямки практичного використання.

48. Пористі наноструктури. Методи отримання та можливості практичного використання.

49. Технологія отримання наночасток в рідкій фазі. Осадження в розчинах і розплавах. Основні фази технології одержання нанопорошків осадженням у водних і неводних розчинах. Приклади.

50. Отримання наночасток металів у міцелах, емульсіях, дендримерах . Приклади синтезів.

51. Причини низької стійкості речовин в нанокристалічному стані. Технології стабілізації форми і розмірів нанокристалітів.

52. Квантові точки, квантові дроту і квантові ями. Основні принципи отримання квантових наноструктур.

53. Якими факторами визначаються властивості тонких плівок, отриманих нанотехнологічними методами? Наведіть приклади.

54. Якими методами отримують полімерні нанокомпозити? Які характеристики визначають їх властивості?

55. Що таке віскер? Як отримують віскери оксиду алюмінію? Які теплоізоляційні вироби виробляють з волокон?

56. Приклади конструкційних та інструментальних матеріалів, виготовлених з використанням нанотехнологій.

57. Нанокомпозитні матеріали. Класифікація нанокомпозитів (по хімічній природі матриці, за формою і характером наповнювача з наночасток та ін.) Загальні методи отримання нанокомпозитів, використання.

58. Яким чином можна синтезувати: а) оксид титану, б) нітрид титану, в) карбід титану, використовуючи як вихідну речовину металевий титан. Яке обладнання потрібно для синтезу?

59. Якими методами можна отримати порожнисті частинки оксидів зі

стінками нанометрової товщини? Які речовини використовують як вихідні ? Запропонуйте методику отримання порожніх частинок оксиду феруму (III), використовуючи хлорне залізо.

60. Які терміни пропущені в наступних тезісах ( допишіть та коротко поясніть): а) Методи отримання наночастинок шляхом подрібнення звичайного макрозразку відносять до ...... методів; б) Методи «вирощування» наночастинок з окремих атомів називають ......?

в) Перехід речовини з газоподібного стану в конденсований (твердий або рідкий) внаслідок його охолодження називається ......?

г) Існують декілька механізмів росту кристалів , вони мають назви......? д) Теорія нуклеації грунтується на припущенні, що кластери, які зароджуються, наночастки нової фази, описуються моделлю .......?

Самостійна робота № 7

Нанотехнології у виробництві будівельних матеріалів. Актуальні проблеми нанотехнологій та наноіндустрії. Сучасні світові досягнення.

Основна мета застосування наносистем (чи нанотехнологій) в будівельному матеріалознавстві - розробка промислово прийнятних технологічних прийомів створення будівельних (конструкційних, функціональних, декоративних і т.д.) матеріалів з будь-якими, наперед заданими властивостями, за умови зведення до теоретично досяжного мінімуму техногенного пресингу на екосферу планети.

Завдання напряму «Наносистеми в будівельному матеріалознавстві» :

1. Розробка каталізаторів для низькотемпературного синтезу клінкерних мінералів і прискореної гідратації стандартних цементів (застосування механохімії і нанокаталізаторів може сприяти корінної зміни сучасної технології цементного виробництва, суттєвого зменшення температури клінкероутворення і навіть реалізації можливості холодного спікання клінкерних мінералів у механохімічних реакторах).

2. Створення технологічних основ золь-гель синтезу нанорозмірних мінеральних індивідуальних клінкерних компонент для створення довільних (за мінеральним складом) наноцементних в'яжучих композицій.

3. Підвищення ефективності традиційних класів будівельних матеріалів (цемент, бетон, асфальтобетон тощо) шляхом модифікування структури.

4. Використання наноструктурованої мінеральної сировини для отримання високо-ефективних будівельних композитів.

5. Розробка нового покоління гіперпластифікаторів для оптимізації реологічних характеристик бетонних сумішей і максимального зменшення водоцементного відношення.

6. Створення системи теоретичних уявлень про явища на нанорівні (гідратація в'яжучих та формування наноструктурних гідратних фаз, природа та джерела адгезії, механізми і процеси подрібнення і т.д.).

7. Розробка теоретичних і прикладних аспектів модифікації в'яжучих речовин синтетичними продуктами наноінженерної діяльності суміжних галузей (наночастинками, нанострижнями, нанотрубками т.щ.)

8. Модифікування в'яжучих речовин нанорозмірними частками полімерів, їх емульсіями або полімерними наноплівками.

9. Створення «біоімімітуючих» матеріалів (імітування структури кісткової тканини і т.д.).

10. Розробка сучасної родини неорганічних наноструктурованих клейових матеріалів будівельного призначення з керованими параметрами.

11. Створення високоефективних покриттів, фарб, тонких плівок (зносостійкі покриття, довговічні фарби, що самоочищуються; термостійкі, антиблискові, антибактеріальні, антивандальні та інші покриття).

12. Створення нових багатофункціональних матеріалів і виробів на їх основі (ізолятори на основі аерогелю, ефективні мембранні фільтри, каталізатори, самовідновлювальні матеріали і т.д.).

13. Створення концептуальних «інтелектуальних» матеріалів (використання мікро/наносенсорів: наприклад, наноелектромеханічні системи, біоподібні датчики, структури, що самоактивуються і т.д.).

14. Розробка методів і систем загального контролю та діагностики (контроль дефектів структури і корозії арматури, оцінка ризиків руйнування матеріалів та конструкцій при зміні умов навколишнього середовища і т.д.).

15. Розробка енергозберігаючих опалювальних елементів, заснованих на наноструктурних композиціях та обладнання їх комунікації.

16. Створення диспергуючого обладнання для надтонкого подрібнення і механохімічної активації різних в'яжучих, в тому числі цементу.

17. Створення системи метрологічного забезпечення робіт у галузі будівельних нанотехнологій. [43 - 45].

Привабливою особливістю розвитку наносистемного будівельного матеріалознавства є те, що воно здатне стимулювати наукові та прикладні дослідження в інших наукових галузях, орієнтованих на нанотехнології, для яких важливим фактором може бути можливість швидкої реалізації результатів розробок у масштабах масового виробництва .

Застосовування нанотехнологій змінює стандартні властивості будматеріалів, покращуючи їх якість і структуру. Для виготовлення високоміцного і довговічного бетону застосовують ультрадисперсні, нанорозмірні частинки. Дослідження та розробка в цій галузі є найбільш актуальною в наші дні. Найбільші фірми-виробники працюють над цим матеріалом: «Майті» (Японія), BASF (Німеччина), «ЗІКу» (Швейцарія), «Елкем» (Норвегія). Термін служби бетону з наночастинками імовірно складає 500 років. Такий матеріал використовують для будівництва атомних реакторів, захисних оболонок, великопрольотних мостів, хмарочосів та інших масивних і капітальних споруд.

Ще один актуальний напрям використання наноматеріалів в будівництві - це енергозбереження. Так, напівпрозорі нанопокриття, можуть накопичувати сонячну енергію. Ці плівки наносяться на вікна і стіни будівель, надаючи їм стильний вигляд і одночасно працюючи як сонячні батареї, тим самим знижуючи витрати на електроенергію. Цікаві властивості мають прозорі наногелі (аерогелі), відкриті ще на початку ХХ століття. Такі матеріали мають високі тепло- та звукоізоляційні характеристики, і зараз їх активно використовують в енергозберігаючих покрівельних системах. Варто згадати інноваційне покриття для захисту кольорових вікон із ПВХ від інфрачервоного (теплового) випромінювання. Завдяки особливим пігментам ця плівка відбиває до 80% інфрачервоних променів і перешкоджає перегріву конструкцій. Візуальний 3D-ефект рам та конструкцій, наприклад, досягається за рахунок особливого компонента покриття - діамантових нанофарб.

Одним з найцікавіших і найперспективніших напрямів в науці про полімери та матеріалознавстві останніх років є розробка принципів отримання полімерних нанокомпозитів. За визначенням, композиційними називають матеріали, що складаються з двох або більше фаз з чіткою міжфазної границею. На практиці ж це - системи, які містять підсилюючі елементи (волокна, пластини) з різним співвідношенням довжини до перетину (що і створює підсилюючий ефект), занурених у полімерну матрицю. Питомі механічні характеристики композитів (нормовані на щільність) помітно вище, ніж у вихідних компонентів. Саме завдяки посилюючому ефекту композити відрізняються від наповнених полімерних систем, в яких роль наповнювача зводиться до здешевлення ціни кінцевого продукту, але при цьому помітно знижуються механічні властивості матеріалу.

Композиційні матеріали розрізняються типом матриці (органічна, неорганічна); типом посилюючих елементів; їх орієнтацією (ізотропна, одноосноорієнтована) і безперервністю. Механічні властивості композитів залежать від структури і властивостей міжфазної межі. Так, сильна міжфазна взаємодія між матрицею і волокном-наповнювачем забезпечує високу міцність матеріалу, а значно більш слабка - ударну міцність. У звичайних композиційних матеріалах фази мають мікронні і субмікронні розміри. Інші нанокомпозити - структуровані матеріали із середнім розміром однієї з фаз менше 100 нм. Видима тенденція до поліпшення властивостей наповнювача (підсилюючого елементу) при зменшенні його розмірів пояснюється зниженням його макроскопічної дефектності. Проте в цілому фізичні властивості кінцевого композиту не можуть перевершувати властивостей чистих компонентів.