юртов экз

Вопросы к экзамену по курсу «Физико-химия наночастиц и наноматериалов» - 2009 г.

1. Что означает термин «нано"?

«Карлик», 10−9

2.В каком году Р. Фейнман выдвинул идею о развитии нанотехнологии? 1959, в современной формулировке.

3.Как называлась речь Р. Фейнмана о развитии нанотехнологии?

"There's Plenty of Room at the Bottom" -- Там, внизу (на дне), ещё очень много места

4. Основные причины особых свойств нанообъектов?

Квантовые эффекты (1 - 10 нм) и влияние межфазных слоёв на объёмные свойства материалов (1 - 100 нм).

5. Почему диапазон размеров 1- 100 нм выделяют как особую область науки (nanoscience and nanotechnology)?

Квантовый размер малых систем задается длиной волны де Бройля (de Broglie,

λ = h /p,

постоянная Планка/импульс), составляющих системы частиц и расстоянием, на протяжении которого сохраняется когерентность волновой функции (у физиковэлектроников) Длина когерентности характеризует предельное расстояние, на котором волна сохраняет фазу.

Учтя энергию валентных электронов и зоны проводимости, мы получаем значение длины волны, соответствующей частице - около нанометра. На подобных расстояниях в квантовом мире становятся заметными явления, невозможные в классической физике, например, прохождение частиц через стенки силовых полей - туннелирование.

Характерный размер наноструктуры у физико-химиков, специалистов по наноматериалам - появление особых физико-химических свойств, обусловленных возрастающей с уменьшением размера долей межфазных слоев в свойства объекта

-размерный эффект.

6.Чем известен Э. Дрекслер?

Своей книгой, изданной в 1986 году "Engines of creation",

одальнейшем развитии нанонауки.

7.Как называется книга Э. Дрекслера о нанотехнологии? Engines of creation (машины созидания).

8.Жан-Мари Лен - роль в развитии нантехнологии.

Он ввёл термин «супрамолекулярная химия»:

«Супрамолекулярная химия - это химия межмолекулярных связей».

1 из 42

9. Какое из высказываний соответствует определению нанотехнологии, данному в Национальной нанотехнологической инициативе США?

Суть нанотехнологии в способности работать на молекулярном уровне, атом за атомом, создавая большие структуры с фундаментально новой молекулярной организацией.

Сравнительно с поведением изолированных молекул размером около нм (10 или объемными материалами, поведение структурированных объектов с элементами

структуры в диапазоне от 10−9 до 10−7 м (1 - 100 нм) проявляет важные изменения. Нанотехнология имеет дело с материалами и системами, структура и компоненты которых демонстрируют новые и значительно улучшенные физические, химические и биологические свойства, явления и процессы, обусловленные их нанометровым размером.

10. Определение понятия «материал».

Материа́л — вещество или смесь веществ, из которых изготавливается продукция, которые способствуют процессу труда, либо придают изготовленной продукции определенные свойства

11. Укажите определение наноматериалов.

«Материалы, контролируемые поверхностью». Материалы (не обязательно жидкие) сырье, вещество, предметы. Консолидированные наноматериалы - компакты, пленки, покрытия из металлов, получаемые из порошков интенсивной пластической деформаци-

ей и из аморфного.

12. Кто впервые сформулировал концепцию наноматериалов и ввел в научную литературу термин наноматериалы - сначала как нанокристаллические материалы, потом наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные и т.д.?

Металлофизик Глейтер.

Термин «нанотехнология» был впервые использован японским ученым Норио Танигучи

(Norio Taniguchi) в 1974 г. при обсуждении проблем обработки хрупких материалов, точность которой к 2000 г. прогнозировалась на уровне нанометрового интервала.

13. Какое название для нанопорошков и наноматериалов использовалось в СССР при их исследовании начиная с 50-х годов?

Малоразмерные (низкоразмерные) материалы и ультрадисперсные порошки. Ультрамикрогетерогенные порошки.

14. Что такое размерный эффект в нанотехнологии и технологии наноматериалов?

Размерный эффект - зависимость свойств от размера объекта; появление особых физико-химических свойств у объекта наноразмерного масштаба в связи с возрастающей долей межфазных слоев.

15. За что была присуждена Нобелевская премия Ж. И. Алферову?

За разработку полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковые квантовые точки на твердой поверхности.

16. Почему наноматериалы называют материалами, свойства которых определяется межфазной поверхностью (Interface Controlled Materials)?

2 из 42

Потому что с уменьшением размера объекта (до нанометрового диапазона) влияние свойств области раздела фаз на общие свойства контролирует поверхность», то есть свойства нанообъектов в основном

определяются структурой и составом их поверхностей раздела фаз, и наоборот: от данного свойства зависит размер нанообъектов.

17. Академик Тананаев И. В. о дисперсности:

И дисперсность влияет на свойства, это самостоятельный т/д параметр.

18. СТМ-изображение квантовой точки:

19. Кто и когда ввел термин «нанотехнология»?

Термин «нанотехнология» был впервые использован японским ученым Норио Танигучи

(Norio Taniguchi) в 1974 г. при обсуждении проблем обработки хрупких материалов, точность которой к 2000 г, прогнозировалась на уровне нанометрового интервала.

20. Консолидированные наноматериалы?

Консолидированные наноматериалы - компакты, пленки, покрытия из металлов, получаемые из порошков интенсивной пластической деформацией и из аморфного.

21. Морохов И.Д. и др. - Ультрадисперсные порошки в атомной отрасли СССР.

Для облегчения технологии производства топливных таблеток UO (снижение температуры плавления, увеличение размера зерна, снижения пористости).

22. Эффект Кишкина С.Т., его Ленинская премия и наноматериалы.

Эффект Кишкина - гетерофазная теория жаропрочности никелевых сплавов, дисперсная высокотемпературная фаза Ni3Al -- максимальное сопротивление ползучести сплавов в условиях высокотемпературного нагружения.

Для авиации. Увеличение прочности твердого раствора внедрением частиц.

23. О каком применении наноматериала сообщает древняя клинопись, имеющая давность около 4000 лет, обнаруженная в развалинах древнего Вавилона?

В древней клинописи описано применение сезамового масла для предсказания судьбы.

3 из 42

24. Какой наноматериал получали средневековые алхимики?

Средневековые алхимики в своих трудах описывали, как добавление мельчайших частиц золота меняет цвет стекла. Алхимики открыли, что, меняя размер частиц, можно изменять цвет.

25. Как изменяется цвет золота, в зависимости от размера частиц?

Использование круглых частиц золота диаметром 10 нм даёт пурпурный цвет. При увеличении размера частиц до 100 нм цвет изменяется, становясь красным, фиолетовым, синим и, наконец, серым.

Наночастицы в окружающей среде

26. Наночастицы в космосе?

Протопланетная пыль, имеет размеры от 10 до примерно 150 нм

27.Поверхностные слои лунного минерала - реголита под воздействием протонных бомбардировок солнечного ветра превращаются в наночастицы.

28.Фуллерены в окружающей среде?

Фуллерены в небольших количествах обнаружены в природных минералах (шунгитовые породы), в метеоритах и в межзвездных газах

29. «Черные курильщики» и наночастицы?

Наночастицы образуются в гидросфере в вершинах «черных курильщиков», похожих на подводные вулканы.

30.Месторождения с нанофазами?

Черные сланцы.

31.В бедных отвалах пород образуются вторичные месторождения. Каков физикохимический механизм этого процесса?

Вотвалах пустых пород образуются вторичные месторождения, за счет самоорганизации благородных металлов.

Законы, правила и основные принципы

32. В чем различие подходов Гиббса и Гугенгейма к термодинамическому описанию свойств поверхностного слоя?

Метод избыточных величин Гиббса и метод слоя конечной толщины Гугенгейма.

4 из 42

33. В грубодисперсных системах с высоким содержанием дисперсной фазы, например в пенах, концентрированных эмульсиях, гетерофазных сплавах и др. есть нанообъекты - тонкие пленки, разделяющие ячейки дисперсной фазы, и именно свойства тонких пленок определяют устойчивость этих систем?

Прежде всего к коагуляции. Электрокинетические явления Рейса. Расклинивающее давление. Наносвойства здесь определяются не размером зерна, а размером прослойки. Это как жесткие каркасы, еще и адсорбционный фактор устойчивости. Высокодисперсные системы имеют условную границу по диффузионноседиментационному равновесию и по появлению особых оптических свойств,

34. Особые оптические свойства наночастиц в видимом диапазоне длин воли - вспомните закон рассеяния света Рэлея.

Закон Релея: если размеры неоднородностей малы по сравнению с длиной волны (не более 0,1 длины волны), то интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна 4-ой степени длины волны.

35. Возникновение при уменьшении размеров частиц седиментационно-диффузионного равновесия: граница отвечает условию соизмеримости веса частицы (с учетом архимедовой реакции среды), умноженного на характерный линейный размер (например, радиус частиц), энергии теплового движения кТ

Эта граница соответствует долям мкм. И распределение частиц по высоте по экспоненте (гипсометрическая высота).

36. Учтя энергию валентных электронов и зоны проводимости, мы получим значение длины волны де Бройля, соответствующей частице.

Электрону.

37.В обычных условиях длина когерентности электрона в твердом теле не превышает…

10 - 100 нм.

38.Почему понятия о размерах нанообъекта различаются у специалистов по наноэлектронике и наноматериалам?

Характерный размер наноструктуры у физиков, специалистов по электронике - квантовый размер: длина волны де Бройля и когерентность волновой функции.

Характерный размер наноструктуры у физико-химиков, специалистов по наноматериалам - появление особых физико-химических свойств, обусловленных возрастающей с уменьшением размера долей межфазных слоев в свойства объекта

-размерный эффект.

39.Что означает относящийся к созданию нанообъектов термин "Bottom up»?

Структурообразование, создание наноструктур из атомов и молекул.

40.Как образуются коагуляционные структуры?

Коагуляционные структуры образуются при потере агрегативной устойчивости системы в результате действия между частицами ван-дер-ваальсовых сил, величина которых

обычно не превышает 10 часто контакт осуществляется через тонкую прослойку дисперсионной среды.

5 из 42

41. Как образуются конденсационно-кристаллизационные структуры?

Конденсационно-кристаллизационые структуры образуются при возникновении между частицами фазовых контактов, прочность которых может достигать прочности самих частиц

42.Какая из наноструктур является термодинамически неустойчивой?

Наноструктуры, формирующиеся интенсивной пластической деформацией.

43.Что означает относящийся к созданию нанообъектов термин "Top down»?

Диспергирование, уменьшение размера нанообъекта,

44.Как меняется вклад межфазной области в общие свойства объекта при уменьшении его размера?

45. Что означает уравнение Гиббса-Томсона?

Соотношение Гиббса-Томсона связывает температуру плавления кристаллита с кривизной ограничивающей его поверхности.

46. Размерность фрактала определяется из зависимости:

N = kf (Rg )Df a

где N - количество частиц в агрегате, а - радиус исходных частиц,Rg - радиус вращения

(гирации) агрегата, - коэффициент. Df - Размерность фрактала

47. Закон Петча-Холла?

Зависимость предела текучести от размера зерен материала: σy = σ0 + k d

48. Повышение давления приводит к уплотнению структуры кристалла. (При уменьшении размера частиц увеличивается удельная поверхность и, следовательно, доля энергии, необходимая для изменения кристаллической решетки).

Для нанокристаллов этот эффект наступает при больших прикладываемых давлениях.

6 из 42

49. Уравнение Лапласа P = 2σ /r

Зависимость общего давления внутри пузырька (капли) - Рi, от радиуса кривизны - r .

Для сферической поверхности:

P = 2σ /r т.е. разность давлений в соседних фазах, разделенных искривленной поверхностью, определяется радиусом кривизны поверхности,

где P=Pг-Pж.

Pг - давление внутри пузырька (капли) Pж давление в объеме жидкости

P - капиллярное давление

50. Уравнение Кельвина (У.Томсона-Гиббса) In (P/P)) = 2V /rRT.

Описывает изменение давления насыщенного пара над поверхностью жидкости в зависимости от кривизны поверхности

51. Оствальдово созревание?

Изотермическая перегонка - рост больших частиц и уменьшение маленьких.

52. Изотермическая перегонка в наноматериалах?

Перенос вещества между частицами в дисперсной системе.

53. Зернограничная диффузия?

Зернограничная диффузия, межзеренная диффузия - диффузия в пределах границ зерен; обусловлена более низкой энергией активации искажений кристаллической решетки.

Процессы зернограничной диффузная играют определяющую роль в формировании структурно-чувствительных свойств наноструктурных материалов, что обусловлено большой протяженностью и высокой диффузионной проницаемостью их границ зерен.

54.Аномальность устойчивости нанопузырей в воде на гидрофобных поверхностях

55.Энергия активации зернограничной диффузии сравнении с диффузной в объеме:

Раза 1,5 - 2, а то и 3 меныве. Коэффиц диффузии по границам зерен на несколько порядков больше, чем внутри зерна.

56. Коэффициенты диффузии в нанокристаллических материалах при низких температурах:

На несколько порядков величины превышают соответствующие экстраполированные коэффициенты для крупнозернистых аналогов.

57. Какое это уравнение: Tpl = Tpl − T (d) = 6σplTpl ?

(d Hr)

Гиббса-Томсона, для плавления

7 из 42

58. Что такое синергетика?

"Совместное действие». Синергетика - это теории самоорганизации в системах различной природы. Она имеет дело с явлениями и процессами, в результате которых у системы -- у целого - могут появиться свойства, которыми не обладает ни одна из частей

59. Кто ввел в науку термин «синергетика»?

Герман Хакен, ввел термин "синергетика", что означает совместное действие.

60. Что такое диссипативные структуры?

И. Пригожину принадлежит термин, касающийся спонтанно самоорганизующихся состояний, - "диссипативные структуры". Этим он подчеркивает значение диссипации (рассеяния энергии) в возникновении нового режима при переходе через критическую точку.

61.Кто получил Нобелевскую премию за теорию диссипативных структур?

Илья Пригожин, в 1977 году.

62.Реакция Белоусова-Жаботинского?

Реакция Белоусова-Жаботинского - класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

63. Что общего между химической реакцией Белоусова-Жаботинского и взаимоотношениями хищник-жертва?

Колебательность процессов - реакции и численности организмов + самоорганизация.

64. Что общего между ячейками Бенара, вихрем Ленгмюра, водорослями в знаменитом Саргассовом море и тектоникой плит, на которых покоятся континенты Земли?

Самоорганизация. Синергетика

65. Что такое фракталы?

Фракталы представляют собой дезориентированные системы с нецелой мерностью (измерением). Мерность изменяется от 1 до 3. Чем больше мощность, тем более плотно упакованы частицы.

66. Бенуа Мандельброт?

Бенуа Мандельброт - французский математик, основатель и ведущий исследователь в области фрактальной геометрии.

67. Классификации фракталов.

Фракталы:

Геометрические Алгебраические Стохастические

8 из 42

68.Природные фракталы - геометрические, алгебраические или стохастические?

Стохастические - случайные.

69.Что способствует фрактальному механизму роста кластера - близость протекания процесса к равновесным условиям или значительная удаленность от равновесия?

Значительная удалённость от равновесия

70. Модель Виттена-Сандера - модель диффузионно-лимитированной агрегации (DLA)

Многие реальные физические процессы хорошо описываются DLA-моделью. Это прежде всего электролиз, кристаллизация жидкости на подложке, осаждение частиц при напыление твердых аэрозолей. DLA-процессе на начальном этапе в центре области устанавливается затравочное зерно, затем из удаленного источника на границе области поочередно выпускаются частицы, которые совершают броуновское движение и в конечном итоге прилипают к неподвижному зерну. Таким образом происходит рост DLA-кластера.

71. Модель кластер-кластерной агрегации (ССА).

При помощи ССА-процесса моделируются гелеобразование и формирование связаннодисперсных систем. В этом процессе нет затравочного зерна. Все частицы совершают

случайные блуждания и образуют кластеры, которые продолжают диффундировать, формируя кластеры больших размеров. В пределе система может превратиться в один гигантский кластер.

72. Почему размерность кластера при кластер-кластерной агрегации меньше, чем при механизме Виттена-Сандера?

Потому что частицы в кластере при кластер-кластерной агрегации упакованы меняет

плотно, чем при DLA (нет затравочного зерна)

73.Какими способами можно прервать процесс роста наночастиц чтобы не позволить образующимся частицам укрупниться и выйти за пределы нанометрового диапазона?

•Выведение процесса из зоны реакции.

•Резкое изменение условий процесса: изменение температуры (напр, криохимический метод), давления.

•Матричный синтез, использование темплатов (шаблонов).

74.Что такое темплатный синтез?

Темплатный синтез - синтез наночастиц с использованием «шаблонов». Мягкий синтез.

Позволяет получать нанокристаллич материалы с порами, радиус варьирования 8 - 50 нм, проводят гидролиз соединений на целевые атомы в присутствии мицелл, задаютих размер пор, а органику потом удаляют термической переработкой. Темплат шаблон, лекало. Матричный синтез. Матрицы здесь это мицеллы, жидкие кристаллы, слонстая глина (плоские частички), мембрана с нанопорами. Это к вопросу как прервать процесс синтеза наночастиц и остановиться на наноразмере. Большинство хорошо изученных реакций темплатного синтеза по конденсации Шиффа (в щелочной среде азометины образуются из кетонов и первичных аминов).

9 из 42

75. Какой закон отражает нижеприведенный график?

Закон Петча-Холла.

Теоретическая (---) и экспериментальная (-) зависимости для различных материалов.

76. На рисунке представлена зависимость прочности современных конструкционных материалов от их ударной вязкости или пластичности. Где будут находиться точки, соответствующие наноматериалам?

Выше кривой.

10 из 42