лекции нанотех Горбунов / Лекция 2
.pdf
Графен (graphene) – роль поверхности
• Большая поверхностная энергия графена должна препятствовать его существованию в виде изолированного моноатомного слоя.
•Графит – пакет из расположенных параллельно друг другу плоских слоев графена
•Углеродные нанотрубки – слои графена в виде цилиндров
•Углеродные наноконусы – слои графена конической формы
•Фуллерены – сферические образования из графена
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
11 |
Графен (graphene) – роль поверхности
1.J.C. Meyer, A.K. Geim, M.I. Katsnelson, K.S. Novoselov, et al // Nature 446 (2007) 60.
2.T.J. Booth, P. Blake, R.R. Nair, et al // Nano Lett. 8 (2008) 2442.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
12 |
Механические свойства графена
толщина |
|
0,35нм |
10 5 |
|
1мм |
|
|
|
|||
длина 35мкм |
100м |
||||
•Графен способен выдержать без необратимых разрушений воздействие, измеряемое силой, существенно превышающей его собственный вес.
•Термодинамическая стабильность моноатомного слоя графена обеспечивается гофрировкой поверхности, вызванной тепловыми флуктуациями.
•Толщина плоского слоя = 0,35 нм.
•Толщина гофрированного слоя ~ 1 нм.
1.J.C. Meyer, A.K. Geim, M.I. Katsnelson, K.S. Novoselov, et al // Nature 446 (2007) 60.
2.T.J. Booth, P. Blake, R.R. Nair, et al // Nano Lett. 8 (2008) 2442.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
13 |
Сила трения в наномире
?
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
14 |
Сила трения в наномире
•Сила тяжести не действует, поэтому сила трения покоя не должна зависеть от ориентации объекта в пространстве.
•Площадь соприкасающихся поверхностей определяет величину их взаимодействия (силы трения)
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
15 |
Эффект геккона
•Прикрепляется и открепляется пальцами за время в несколько миллисекунд к почти любой поверхности (исключенние - тефлон);
•Перемещается по шероховатым и гладким поверхностям с любой пространственной ориентацией;
•Лапа отсоединяется от поверхности без приложения видимых усилий;
•Двумя передними лапами ящерица геккон, имея собственный вес около 50 г, может удерживать вес более 2 кг.
1.K. Autumn, et al // Nature 405 (2000) 681.
2.K. Autumn, et al // American Scientist (2006) 124.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
16 |
Строение лап геккона
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
|||
Эффект геккона
•Измерения, проведенные для отдельной щетинки на пальце ящерицы показали, что для преодоления ее адгезии к поверхности необходимо приложить усилие в 200 мкН.
•Общее количество щетинок составляет около 6,5 ×106 на каждой лапе, что эквивалентно усилию по ее отрыву в 1300 Н.
•Для удержания на поверхности ящерице достаточно использовать 2000 щетинок на каждой лапе, т.е. менее 0,04% от их общего количества.
•Изменение угла соприкосновения щетинок с поверхностью приводит к уменьшению силы взаимодействия и обеспечению возможности к перемещению.
•Механический захват, вакуумная присоска, наличие клейкого состава, капилярные силы были признаны не способными вызвать наблюдаемый эффект.
•Единственное объяснение – короткодействующее взаимодействие Ван-дер- Ваальса.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
18 |
Взаимодействие точечных зарядов – закон Кулона
q1
F
F k q1 q2 r2
q2
•Взаимодействие незаряженных объектов (атомов, молекул, наночастиц)
Сила Кулона действует между отдельными зарядами, входящими в нейтральные объекты.
Может быть и притяжение и отталкивание
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
19 |
Взаимодействие точечного заряда и диполя
d ql - дипольный момент |
+q |
|
|
r |
θ |
Q |
|
-q |
|
U(r)
|
|
|
Qdcosθ |
|
||
|
|
|
U(r) |
|
r |
2 |
|
|
|
4πε0 |
|
||
отталкивание |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
r |
• |
Может быть притяжение и отталкивание (в |
|||
|
||||||
|
|
|
зависимости от ориентации); |
|||
притяжение |
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
Сила взаимодействия может существенно |
|||
|
|
|
изменяться в зависимости от расстояния |
|||
|
|
|
между зарядом и диполем. |
|
||
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
20 |