Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский государственный университет приборостроения и информатики

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Izbrannye_lektsii_po_kursu_Vvedenie_v_nanotekhn...doc

Скачиваний:

Добавлен:

20.01.2020

Размер:

9.7 Mб

Скачать

☆

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ТИ-9 «Наноматериалы»

УТВЕРЖДАЮ

Ректор МГУПИ

И.В.Голубятников

« » 2013г.

ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ

по дисциплине 4920

«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

Рекомендуется для направлений подготовки

222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

151001 «Технология машиностроения»

151700 «Технологические машины и оборудование»

220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

150100 «Материаловедение и технологии материалов»

151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Квалификация (степень) выпускника – бакалавр

МГУПИ-2013

Лекция №1. Введение.

Время: 2 часа (90 мин.).

Учебно-материальное обеспечение: мультимедийный проектор

Содержание лекции:

Понятие нанотехнологий и наноматериалов. Краткая история вопроса. Роль нанотехнологий в современной технике. Перспективы развития нанотехнологий и наноматериалов. Приоритетные направления нанотехнологии. Основные разновидности наноматериалов.

Литература к лекции:

1. Р.А.Андриевский, А.В.Рагуля «Наноструктурные материалы», ACADEMIA, Москва, 2005.

2. Гусев А. И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. — М.:ФИЗМАТЛИТ, 2000. - 224 с.

3. М.С.Блантер «Нанотехнологии и наноматериалы», учебное пособие на CD, 2007г.

4. Ю.И.Головин «Введение в нанотехнику», Машиностроение, Москва, 2007 г.

Текст лекции

Нанонаука - совокупность знаний об особенностях поведения вещества в нанометровом маштабе размеров 1 – 100 нм (1 нм = 10^-9м = 10 Å)

Нанотехнология – это искусство создавать и оперировать объектами с размерами от долей до сотен нанометров хотя бы в одном из 3-х измерений.

Если при уменьшении объема вещества по одной, двум и трем координатам до размера нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологию их получения и дальнейшую работу с ними – к нанотехнологиям.

О развитии этой отрасли науки и техники свидетельствует уровень финансирования. В 2004 г. общее финансирование во всем мире составило сумму $8,6 млрд.. В США $4,6 млрд. затратило государство, $,1,7 млрд.-частные компании, в Азии – $1,6 и $1,4 млрд. соответственно. Число зарегистрированных патентов в период 1976 - 2004 гг составило 88000, из них 64% подано в США. В настоящее время каждая десятая статья, опубликованная в научных и технических журналах, посвящена наноматериалам и нанотехнологиям. Все это свидетельствует о бурном развитии этой отрасли. Ожидается, что к 2015 году рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит $1000 млрд.Распределение этих средств по различным отраслям показано на рис.1.Видно,что основное использование нанотехнологий ожидается в производстве наноматериалов и в наноэлектронике.

Рис.1.Прогнозируемое на 2015г. производство с использованием нанотехнологий в разных отраслях.

Начало нанонауки относят к 1960 г., когда Ноболевский лауреат Ричард Фейман прочитал на собрании Американского физического общества знаменитую лекцию «Там внизу еще очень много места», где обсуждал возможности создания и использования наноразмерных объектов.

Реальное развитие этой области знаний началось после создания в 80-х годах прошлого века сканирующего туннельного (STM) и атомно-силового микроскопов (AFM) и резко ускорилось в последние годы XX века и первые годы XXI века.

Широкий интерес, который проявляется к нанонауке в последнее время, обусловлен, по крайней мере, тремя обстоятельствами.

Во-первых, методы нанотехнологии позволяют получить принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д.

Во-вторых, нанотехнология оказалась широким направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники, экономики, социологии и др.

В-третьих, решение проблем нанотехнологии выявило много пробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях, что опять-таки способствовало концентрации внимания научно-инженерного сообщества в этом направлении.

Развитие нанотехнологий сулит переворот во многих областях – материалы, электроника, медицина, биология, военное дело и многое другое.

Обстоятельства, сделавшие возможным развитие нанотехнологий:

1.Развитие физико-химических основ нанотехнологий.

2.Разработка инструментов для изучения нанообъектов и манипулирование ими -зондовых микроскопов

3.Исчерпание возможностей полупроводниковой электроники.

Один из основателей Intel Corporation Гордон Мур (Gordon Moore) в 1970г. вывел два закона развития интегральных электронных схем (рис.2), согласно которым объем транзистора в чипе уменьшается вдвое каждые полтора года. До сих пор этот закон выполняется,но уже видны границы его применения.Поэтому дальнейшее развитие больших интегральных схем должно строиться на других технологочиских принципах,к которым относятся и нанотехнологии.

Рис.2. Законы Мура.

Некоторые нанотехнологии и нанообъекты были известны в природе и применялись задолго до появления самого термина «нанотехнологии».

Приоритетные направления нанотехнологии, разрабатывающие новые перспективные методы, материалы и устройства:

молекулярный дизайн материалов и веществ с заданными свойствами, значительно превосходящими свойства их современных аналогов;

нанопроцессоры с низким уровнем энергопотребления и существенно более высокой производительностью;

небольшие по размеру запоминающие устройства с огромным объемом памяти;

новые лекарственные препараты и методы их введения в организм;

новые методы мониторинга окружающей среды и организма человека с использованием наносенсоров.

Примеры используемых нанообъектов и нанотехнологий:

1.Моллюск «морское ушко» выращивает очень прочную раковину, склеивая наночастицы мела особой смесью белков.

2.С IV века нашей эры римские стекловары окрашивали стекло, вводя в него наночастицы золота и серебра. Подобная технология использовалась в средние века для окрашивания стекла для витражей церквей;

3.В фотографии изображение создавалось путем образования наночастиц серебра под действие света.

4.В 60-х годах были открыты ферромагнитные жидкости, состоящие из наночастиц (частицы ферромагнетиков, диспергированны в жидкости).

Некоторые примеры задач, решаемых методами нанотехнологий:

1.Создание новых композиционных материалов.

2.Создание материала для динамического обмундирования солдат, путем воздействия на свойства волокон магнитными наночастицами.

3.Технология нанесения слоя 40 нм на поверхность оконного стекла, делающее его самоочищающимся.

Среди наноматериалов можно выделить несколько основных разновидностей: консолидированные наноматериалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, катализаторы, нанопористые материалы и супрамолекулярные структуры.

К консолидированным наноматериалам относят компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.

Нанозерна (нанокристаллиты) этих материалов находятся не в изолированном (т.е. в виде отдельных образований) или слабосвязанном (например, наночастицы с защитными полимерными оболочками) виде, а в консолидированном состоянии. Прочность межзеренных прослоек в консолидированных наноматериалах довольно высока.

Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть как в изолированном, так и частично в консолидированном состоянии, образуя также гибридные (смешанные) материалы.

Фуллерены и тубулярные наноструктуры. Аллотропная форма углерода — кластеры С₆₀и С₇о, названные фуллеренами (работы нобелевских лауреатов Н.Крото, Р.Керлу и Р.Смолли), и особенно с 1991 г., когда японский ученый С. Ишима обнаружил углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита.

Нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм. Катализаторы — также один из примеров давно исследуемых и широко применяемых нанообъектов. Супрамолекулярные структуры — это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.

Таким образом, перечисленные виды наноматериалов весьма отличаются как по технологии изготовления, так и по функциональным признакам, их объединяет только характерный малый размер частиц, зерен, трубок, пор, определяющий структуру и свойства. Минимальный размер структурных элементов составляет (0,1 - 1,0)-10~⁹ нм, т.е. по существу отвечает размерам отдельных атомов и молекул, максимальный размер — 100 нм — устновлен условно.