1 Постановка и анализ задач проектирования научного эксперимента

Научный эксперимент – научная проверка искусственно вызванного явления в точно контролируемых и управляемых условиях, обеспечивающих воспроизведение полученного результата.

Эксперимент оправдан, если он меняет степень уверенности в истинности проверяемой гипотезы (теории).

Большинство экспериментов имеет дело с моделями объектов и должно давать ответы на два вопроса:

-соответствует ли исследуемый объект списку требований;

-какой из альтернативных вариантов предпочтительней по критериям качества.

В научных экспериментах используют три способа моделирования - мысленное, математическое и физическое. Наибольший эффект достигается последовательным использованием всех трех способов.

Основная цель научного эксперимента состоит в выявлении результатов и закономерностей взаимодействия энергетических полей с материальными объектами.

Научный эксперимент всегда направлен на изучение принципиальной стороны явления, он должен быть актуальным – решать полезные для практики задачи. Основными задачами научного эксперимента являются: накопление фактов, построение теории, разработка конструкции, разработка (усовершенствование) технологии, создание методики.

Проектирование научного эксперимента в области нанотехнологии включает сбор научно–технической информации о физических, химических, механических, свойствах веществ в наноразмерном состоянии и наносистем, их структуре и свойствах применительно к решению поставленных задач с использованием баз данных и литературных источников; использование методов моделирования, оценки, прогнозирования и оптимизации технологических процессов и свойств наноматериалов; выполнении экспериментов и обработке их результатов по созданию, исследованию и выбору наноматериалов и наносистем, оценке их технологических и служебных качеств путем комплексного анализа их структуры и свойств, физико–механических, коррозионных и других испытаний, устойчивости к внешним воздействиям; использование принципов и методик комплексных исследований, испытаний и диагностики изделий из наноматериалов и процессов их производства, обработки и модификации.

1.1 Инвариантные понятия техники

В основе каждой научной или учебной дисциплины лежит набор четко определенных понятий, способствующих ее прогрессивному развитию. Они взаимосвязаны между собой и с фундаментальными науками. К таковым можно отнести понятия массы и энергии в физике, фазы и термодинамического потенциала в химии и химической технологии. Система понятий, отражающая существенные свойства и связи, позволяет на одном языке описывать разные объекты в технике и однозначно сопоставлять их свойства. Инвариантность таких понятий заключается в том, что они должны иметь отношение ко всем известным техническим объектам, процессам и методам научно творчества в рамках рассматриваемой области техники, описывать их основные количественно измеримые свойства, учитывать сложившуюся терминологию.

В технике выделяют два инвариантных понятия – технический объект и технологический процесс.

Результатом научно-технических разработок являются новые более совершенные и эффективные технические объекты и технологии.

Техническим объектом (ТО) называют созданное человеком или автоматом реально существующие материал, изделие, конструкция, как в целом, так и их части, предназначенные для удовлетворения определенной потребности (выполнения заданных функций).

Существует иерархическое соподчинение технических объектов различных уровней. Например, ТО печь для обжига (верхний уровень) включает в качестве одной из составных частей ТО футеровка, которая, в свою очередь, может быть разделена на отдельны узлы – свод, стены, подину, каждый из которых состоит из кирпичей различной формы, в которых могут быть выделены элементы – зерна, связка, поры и т.д. В связи с этим при описании ТО вводят понятие надсистема – ТО верхнего уровня, в которой рассматриваемый ТО входит как отдельный элемент.

В последнее время техникой активно осваивается новый вид ТО – нанообъекты.

Критерии выделения нанообъектов из всего многообразия ТО зависят от назначения, химического состава, способа получения нанообъекта.

Нанообъектом называют любой материальный объект, у которого количество атомов, образующих поверхность сравнимо или превышает количество атомов, находящихся в объеме.

К нанообъектам относят объекты, размеры которых меньше критического размера события (длина свободного пробега электронов, размер магнитного домена, размер зародыша новой твердой фазы).

Чаще всего нанообъектами считают объекты с размером менее 100 нм хотя бы в одном из трех пространственных измерений. Величина100нм соответствует длине волны де Бройля для электрона.

Наноматериалами или наноструктурированными материалами называют как сами нанообъекты (если они служат для изготовления устройств и приборов различного технического назначения), так и материалы, в которых нанообъекты являются элементами структуры и влияют существенным образом на формирование у этих материалов определенных свойств (Рис.1).

Рисунок 1. Виды наноматериалов

Для малого числа атомов вещества характерна реконструкция поверхности, самоорганизация и самосборка. т.е. при объединении атома в кластер происходит образование геометрических структур, которые в дальнейшем могут быть использованы для решения технических задач

В нанообъектах большое значение приобретают размерные эффекты, обусловленные рассеянием, рекомбинацией и отражением на границах.

Переработка вещества, энергии или сигналов представляет собой выполнение с помощью ТО четко определенной последовательности операций - технологии.

Технологическим процессом (ТП) называют способ преобразования вещества, энергии и информационных сигналов из известного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью определенных технических приемов с участием энергетических полей.

Нанотехнология - это научная дисциплина изучающая закономерности в получении обработки и применения наноматериалов. В технологии высокотемпературных наноструктурированных материалов ТП - набор последовательных логически взаимосвязанных операций по стадийному превращению ТО в исходном состоянии (сырье) в ТО в виде изделия с заданной структурой и свойствами при использовании других технических объектов (технологического оборудования) и различных видов энергии.