2010 Г Нобелеевская премия по физике

Андрей Константинович Гейм

Константин Сергеевич Новосёлов

Нанотрубка 1996 Нобелеевская премия по химии

Роберт Кёрл, Харольд Крото, Ричард Смолли

Фуллерен С₆₀ Кристалл фуллерита Харольд Крото

графит

Режущие вставки оснащенные сверхтвердыми материалами (СТМ) на основе кубического нитрида бора

Эльбор и белбор содержат от 98% и выше (белбор) кубического нитрида бора, обладают повышенной твердостью и хрупкостью.

Гексанит и исмит - 95% кубического и 5% вюрцитного нитрида бора.

композиты обладают меньшей твердостью, чем эльбор и белбор, но большей прочностью и вязкостью.

Гекконы способны:

- карабкаться по гладкой стене со скоростью 1 м/с

- бегать вверх тормашками по потолку из полированного стекла

- поддерживать вес тела одной лапкой.

Фотография геккона на гладкой вертикальной поверхности. Фото: Kellar Autumn

Поиск разгадки - почти 100 лет

• Клейкое вещество?

• Присасывание? Лапки геккона могут прилипать к поверхности в вакууме, где нет давления воздуха.

• Электростатическое притяжение? Оно возникает между электрически заряженными объектами. Когда создали условия, при которых любой заряд исчезал, лапки геккона все равно прилипали.

• Трение? Кератин - белок, который вырабатывается в коже, - оказывается слишком "скользким". К тому же, трение не может объяснить передвижение по потолку.

• Сцепление между шероховатыми поверхностями? Гекконы могут прилипать к полированному стеклу.

Близкий контакт щетинок на лапках с поверхностью. Гекконы используют связи ближнего взаимодействия между молекулами, т.е. прилипают посредством сил Ван-дер-Ваальса.

1. Сила действует на очень маленьких расстояниях (между молекулами) и резко уменьшается при увеличении расстояния между поверхностями.

2. Чтобы такая слабая сила удерживала геккона на вертикальной стене, необходима огромная площадь близкого контакта между лапкой геккона и поверхностью.

На пальцах - очень тонкие волоски (щетинки), длиной 100 микрометров. Они очень плотно размещены - около 1,5 миллиона на см².

Каждая щетинка на конце расходится в 400-1000 ответвлений. Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой - в ширину 0,2 микрометра.

Лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см² прикасается к поверхности двумя миллиардами окончаний! 

Рис. 4. Вид лапки геккона. Фото: Kellar Autumn

Дефекты кристаллического строения

Точечные дефекты

I. Собственные дефекты

• дефекты по Френкелю

• дефекты по Шоттки

• антиструктурные

Механизмы диффузии:

• вакансионный

• междоузельный

• диссоциативный

II. Примесные дефекты

Твердые растворы:— атомы различных

элементов расположены в общей

кристаллической решётке.

• внедрения

• замещения

• вычитания

Виды твердых растворов:

• неупорядоченные

• упорядоченные – сверхструктуры

Рис. 6. Упорядоченные растворы

Факторы, влияющие на растворимость

• структурный – когерентность решеток

ОЦК – ОЦК ГЦК – ГЦК

• размерный

примеси большого радиуса → твердые растворы замещения

малого радиуса → твердые растворы внедрения

• химический

Общий закон: элементы с разным типом связывающих орбиталей

плохо растворяются друг в друге.

Характер связывающих орбиталей.

• I класс – внешние электроны в s или p состояниях. Благоприятные условия получения sp-связей.

• II класс – d-переходные элементы (металлы) - имеются условия образования sd и spd-гибридных орбиталей. d-функция максимальна в середине каждой последовательности.

• III класс – 4f и 5f – переходные элементы. f-электроны принимают участие в связях с элементами, стоящими в начале каждой последовательности.

• IV класс – образование октетов за счет ковалентной или ионной связей.

Механизмы создания дефектов:

• при кристаллизации – неравновесные условия охлаждения

• при деформировании

• при облучении радиацией

• при термической обработке

Термические дефекты.

Вероятность образования дефектов по Шоттки зависит от температуры в соответствии с законом Больцмана:

,

где N – число атомов в единице объема кристалла; n – число дефектов; Е_А – энергия образования дефекта; k – постоянная Больцмана.

Число атомов в 1 см³ кристалла:

,

где N_А – число Авогадро;  – плотность; М – молекулярная масса.

Для кристаллов меди N = 8,4  10²², энергия образования вакансии – 1 эВ, междоузельного атома – 2,5 эВ. При 1000 K относительная доля вакансий P ~ 10^–5

на 10⁵ атомов меди – одна вакансия, среднее расстояние между вакансиями – несколько параметров решетки.