Лекция №1 7.09

Первая половина 80-х годов XX века стала началом как интенсивных исследований и применения нанокристаллических веществ, так и быстрого распространения нанотехнологии.

Нанотехнология находится на стадии быстрого развития, поэтому при ее изучении постоянно возникают вопросы, связанные с понятиями и терминами.

Развивая и обобщая представления об индустрии наносистем, а также анализируя ранее опубликованные работы (Лучинин В.В., 2003), сформулирован ряд базовых понятий с приставкой "нано", наиболее полно отражающих именно проявление функционально-системных свойств, а не только чисто геометрических особенностей (параметров) объектов.

Индустрия наносистем — интегрированный комплекс, включающий: оборудование; материалы; программные средства; систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организационно экономическую культуру и кадровый потенциал, обеспечивающие производство наукоемкой продукции, основанной на использовании новых нетрадиционных свойств материалов и систем при переходе к наномасштабам.

Наносистема — материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, гигантских эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Наноматериалы — вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология — совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанодиагностика — совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфологотопологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Наносистемотехника — совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием квантово-размерных, кооперативно-синергетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с. наномстрическими характеристическими размерами элементов.

Нанонаука — система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмер- ных элементов.

Нанотехника — машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональны* возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Нанообъекгы — как правило, многочастичные системы, основу которых составляют индивидуальные наночастицы. Здесь также приходится сталкиваться с обилием терминов: «нанокристалл», «нанофаза», «наносистема», «наноструктура», «нанокомпозиты» и т. д. Основу всех названных объектов составляют индивидуальные, изолированные наночастицы.

Наноструктура — совокупность наночастиц определенного размера с наличием функциональных связей. Подобные системы, обладающие ограниченным объемом, в процессе их взаимодействия с другими химическими веществами можно классифицировать как своего рода нанореакторы.

Нанокомпозиты — объекты, где наночастицы упакованы вместе в макроскопический образец, в котором межчастичные взаимодействия становятся сильными и маскируют свойства изолированных частиц.

Наночастицы — высокодисперсные частицы размером менее 100 нм хотя бы в одном измерении с заданной структурой и свойствами.

Нанонити имеют диаметр, соответствующий наночастицам, и произвольную длину.

Нанопленки при толщине в несколько атомов или молекул могут иметь произвольную площадь.

Термин «кластер» чаще используется для частиц, содержащих небольшое число атомов, термин «наночастицы» —для более крупных агрегатов атомов, распространен для описания свойств металлов и углерода. Существуют также трехмерные структурированные нанообъекты, такие как нанотрубки, фуллерены.

Как возникла нанотехнология? В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались (интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы и т.д.). С другой стороны, одновременно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств. В частности, плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках в настоящее время уже достигает 1 гига- бит/кв. дюйм. Без преувеличения можно сказать, что в полупроводниковых технологиях*(иногда их называют просто кремниевыми) вот уже более полувека происходит непрерывная революция.

Однако, как отмечалось выше, по мере приближения размеров полупроводниковых устройств к 1 микрону (мк) в них начинают проявляться квантово-механические свойства вещества, т. е. необычные физические явления. Можно с уверенностью предположить, что при сохранении нынешних темпов развития вся кремниевая технология (и связанная с ней промышленность полупроводников) примерно через 5 —10 лет столкнется с проблемами принципиального характера, так как быстродействие и степень интеграции в ЭВМ достигнут некоторых «принципиальных» границ, определяемых известными нам законами физики. Таким образом, дальнейший прогресс науки и техники требует от исследователей существенного «прорыва» к новым принципам работы и новым технологическим приемам.

Такой революционный прорыв может быть осуществлен только за счет использования нанотехнологии, которая позволяет создавать целый ряд принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств на их основе. Расчеты показывают, что использование нанотехнологии может повысить основные характеристики полупроводниковых вычислительных и запоминающих устройств на три порядка, т.е. в тысячу раз. Это станет, безусловно, настоящей революцией в области информационных технологий и окажет огромное воздействие на экономическое и социальное развитие общества в XXI веке.

Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапазону многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость и т.п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных базарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий.

Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры) и другие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки - нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения. Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов, и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений (Н.Кобаяси, 2007).

Основная причина интереса к наночастицам, нанонитям, нанопленкам и структурированным системам из них - это их новые химические и физические свойства, которые невозможно описать на основе известных в современной науке закономерностей.

Лекция 21.09

Примеры практического применения нанотехнологий.

Информационные технологии

Полупроводниковые устройства	»карманные» супер ЭВМ
Запоминающие устройства	устройства с очень малым энергопотреблением
	повышение характеристик ЭВМ на три порядка

Медицина, биология

Биодатчики	диагностика раковых заболеваний
адресная доставка лекарств	новые методы введения лекарств

Экология, энергетика

Использование солнечной энергии	борьба с парниковым эффектом
топливные элементы	создание общества гармонии с природой
экологически чистые материалы

Все это объединяется в новые термостойкие прочные материалы

Графен- двухмерный материал, состоящий из атомов С, образующих шестиугольники. (Нобелевская премия по физике 2010 год, А. Гейм и К. Новосёлов)

Создание пористой структуры полимерных материалов.

Трековая мембрана находит применение в медицине, например, в очистке лекарственных средств , вирусных суспензий, получение плазмы крови, бактериологическом контроле качества пищевых продуктов и воды. Размеры пор трековых мембран можно регулировать в диапазоне от 1 нм до нескольких сот нм.

Основные способы получения наночастиц металлов.

Основная задача - синтез и стабилизация частиц размером 100 нм и меньше.

Методы: 1 - позволяет получать и изучать наночастицы (конденсация при сверхнизких температурах, химическое , фотохимическое и радиационное восстановление, лазерное испарение)

2 - позволяют на основе наночастиц получать наноматериалы и нанокомпозиты (механохимичнским дроблением, конденсацией из газовой фазы, плазмохимическими методами).

Физические методы получения наночастиц.

Используют: низкотемпературную плазму, молекулярные пучки и газовое испарение, катодное распыление, ударные волны, электровзрывы, лазерная электродисперсия, сверхзвуковые стру, механическое диспергирование в его различных вариантах.

Схема установки, комбинирующей процессы горения и химической конденсации в вакууме.

Химические методы получения и стабилизации наночастиц

Химическое восстановление

Происходит в жидкой фазе

В качестве соединений металлов используют их соли

В качестве восстановителей - алюмогидриды, борогидриды, гипофосфиты, формальдегид, соли щавелевой кислоты и винной кислоты.

Хим восстановление осуществляется в термодинамически и кинетически нестабильных системах. Является многофакторным процессом и зависит от подбора пары окислитель-восстановитель. Существенное влияние на процесс оказывают: температура, рН среды, диффузионные и сорбционные характеристики.

Поведение металической частицы в растворе определяется как дельта Е=Е-Ер, где Е - равновесный окислительно-восстановительный потенциал частицы, Ер - соответсвующий потенциала раствора. Если дельта Е больше 0, наблюдается рост частиц, в обратном случае - растворение. При дельта Е равной 0 - состояние неустойчивого равновесия.

Синтез сферических наночастиц

Синтез сферических наночастиц 3,3—4,8 нм можно осуществить восстановлением азотнокислого серебра борогидридом натрия в присутствии четвертичных солей дисульфида аммония .Устойчивость частиц серебра зависит от ph среды ,при это pH 5—9в водной среде частицы стабильны в течение недели .

Увеличение или уменьшение pHприводит к быстрой агрегации и осаждению частиц серебра .Влияние pH среды на устойчивость частицы золота выражено менее сильно чем на частицы серебра.

Синтез сферических полых наночастиц

1.Способ —используются частицы полимеров промышленного изготовления (полиметилметакрилат,полистирол),на некоторое время помещаются в разбавленный водой растворитель ,после набухания происходит обработка полимера жидким азотом и удаления растворителя ,при этом материал приобретает пористую структуру ,которая фиксируется воздействием низкой температуры

2.Способ— полуфабрикатом является эмульсия раствора полимера ,позволяющая получать частицы из кристаллических полимеров (поликапролактон,Поли л лактид )

Синтез с помощью наноструктурированных сред

Гибридные матрицы на основе полиэлетролитных гелей с противоположно заряженными ПАВ использованы как наноструктурированные среды для восстановления различных солей платины ,борогидриданатрияи гидразином.

При восстановлении NaBH4 в основном обязуются небольшие частицы платины радиусом 2—3 нм ,а при восстановлении гидразином размером около 40 нм.

Лекция 19.10

Лекция 3. Способы получения органических наночастиц

Органические наночастицы - термин для обозначения устойчивых изолированных органических макромолекул или молекулярных образований, в составе которых «связанная вода».

Устойчивые органические макромолекулы или конгломераты молекул включая неорганические элементы. Имеют условную динамическую границу с окружающей средой. Размеры таких частиц составляют 10-1000 нм и более. В составе связанные молекулы воды либо другой жидкости.

В биохимии их называют органические макромолекулы и полимерные соединения

В коллоидной химии - мицелла / золь

В молекулярной биофизике - белки, нуклеиновые кислоты

2 ноября

Капиллярные вискозиметры

Принцип работы основан на продавливании полимера через длинный капилляр ,при этом измеряется давление жидкости перед входом в капилляр ,объемный расход и устанавливается связь между ними .При этом скорость сдвига непостоянна.:она изменяется от нуля в центре Канала до максимального значения у стенок канала,используют два типа капиллярные (КВПД)и КВПР .Приборы конструкция которых обеспечивает заданное давление перед капилляром .Расход может быть различным в зависимости от свойств испытываемого материала КВПД. Приборы которые используются давление перед капилляром будет отличаться -КВПР

Чтобы провести расчёты скорости и напряжения сдвига используют формулы зависимости расхода и падения давления на единицу длины капилляра

Коэффициент Освальда Девилла

Достоинства

1.-характер течения подобен течению формующем канале перерабатывающегося оборудования

2.Может быть измерена при больших значениях скоростей сдвига

3.Каждая порция материала подвергается сдвигу непродолжительное время ,разогрев образца за счет работы вязкости не учитывается

4.Простота эксперимента

Недостаток 1.Необходимо вводить коэффициенты

Ротационная вискозиметрия -широко применяется в биологических исследованиях полимерных материалов ,особенно в высоковязких расплавов .

Прибор представляет собой два коаксиальных между которыми находится материал при определенной температуре.Наружный цилиндр приводится в обращение с постоянной скоростью и определенным градиентом скорости сдвига величина которого определяется зазором между цилиндрами .Под действием сил вязкого трения материала в обращения приводится и внутренним цилиндр .И внутренний цилиндр связанный с прибором ,который фиксирует угловую скорость сдвига .М-крутящий момент .Тау (напрядение сдвига ),h -высота расплава между цилиндрами при их вращении .

1-Торсион стержень который крутится

2.неподвижный конус

3.материал

4.Плоскость которая подвижна

E(эпсилон )угол между вращающейся плоскостью и неподвижным конусом

Достоинства

1.Простота конструкции

2.Однородный сдвиг

Недостатки

1.Ограниченность допустимых напряжении сдвига

2. Сложность поддержания температуры при высоких напряжениях сдвига .

Формирование заданной структуры полимеров в процессе переработки

Переработка -это этап на котором осуществляется переход от вещества к материалу за счет сознания нужных структур .Чтобы создать структуру необходимо ,придать определеную комформация макромолекул и определенным образом расположить их друг относительно друга .

Структура должна обеспечивать полимерам необходимые свойства в изделиях (физико—механические :прочность ,жёсткость износостойкость.)

Все процессы структуроборазования происходят выше температуры стеклования то есть в той области где образуется гибкость полимерных цепей ,чтобы зафиксировать опр структуру достаточно охладить полимер до температуры стеклования .

Структуру можно регулировать:

1.Изменением технологических параметров процессов

2.За счет модификации (направленное регулирование )структуры и свойств полимеров,может осуществляться в процессе синтеза или путем воздействия на готовый полимер )

Влияние технологических параметров на структуру и свойства полимеров -:

1.Коррекция температуры расплава

2Корекция скорости охлаждения

3.Введения структурообразователец в процессе переработки

4.Выбранный способ переработки влият на структуру.Например(механические свойства образцов полученные прессовавшем и литьем под давлением будут отличаться .Плотность ,разрушающее напряжение .Из полипропилен пластин будет выше по сравнению с образцами полученными литьем под давлением.)

При более низкой температуре расплава формируются изделия с анезотропными свойствами (повышается плотность ,прочность ,и микротвердость ,но понижается способность к деформации.

При более высокой температуре получаются изотропные(равнопрочные ) изделия .

Влияние температуры формы на качество изделия .При повышенной температуре формы скорость охлаждения полимера уменьшается.И изменяется характер НМС:в центре изделия образуется более однородная сферодлидная структура .С увеличением температуры формы увеличивается прочность и микротвержость ,однородность по толщине ,но снижается производительность .Если температуру формы понижать ,то поверхностные слои формируют одну структуру,а внутренние другую ,в результате могут сформироваться остаточные напряжения ,которые приводят у образованию микротрещин ,и могут вызвать разрушения изделия .

Влияние давления на качество издели я

ПВ-структура формируется более упорядоченной состоящей из мелких сфералитов ,при этом изделие получается с повышенной плотностью , прочностью,микротведостью.

При понижении давления формируется неоднородная структура.

Влияние скорости охлаждения при экструзии .

Если охлаждение происходит с повышенной скоростью то пленки получаются прозрачными ,аморфной структуры,тонкие .

Если медленное охлаждение то пленки получаются со свойствами и структурой характерными для данного полимера , и получаются более толстые пленки .

условия охлаждения поверхностным слоем и внутри изделия не одинаковые и поэтому формируется различная структура.

Влияние структурооьразователей .Используются для создания мелко сферолитной упорядоченной структуры.Например соли тяжелых металла ,органических кислот ,белая сажа,оксид кремния 4валетный ,оксид алюминия .Структурообразователи вводятся в небольших количествах от 0,5-1,5 %.

Они могут стать центрами кристаллизации.

В процессе переработки могут протекать два вида деструкции

1.Термоокислительная

2.Механо-химическая

Механизм деструктивных процессов -радикально цепной ,образуется активный радикал .Все процессы деструкции начинаются с образованием свободного радикала под действием инициатора .

1.Зарождение цепи

2.Рост цепи

3.обрыв цепи

4.Выраждение раветленной цепи .

Рекомбинация может привести к сшиванию макромолекул ,что сопровождается увеличением молекулярной массы и и трехмерной структуры .Чтобы избежать деструкции и увеличить интервал

индукцирования .Вводят стабилизаторы .

Лекция 16.11