Проект по физике 11 класс

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 7,

г. Ртищево Саратовской области»

Итоговый проект по физике

на тему:

 «На что будут способны материалы будущего?»

Проект выполнила Лисова Влада,

обучающаяся 11 класса

МОУ «СОШ № 7 г. Ртищево Саратовской области»

Руководитель проекта: Громов Илья Николаевич,

учитель физики МОУ «СОШ № 7

г. Ртищево Саратовской области»

Ртищево, 2021

Содержание:

Введение: 3

I. Теоретическая часть проекта. 5

Глава 1. История развития материалов. 5

Глава 2. Материалы в современном мире. 8

2.1. Двумерные материалы. 8

2.2 Пластиковая электроника. 8

2.3 Умные материалы. 10

Глава 3. Создание новых материалов. 12

3.1 Моделирование и предсказывание. 12

3.2 Композиты.. 12

3.3 Архитектурирование. 13

3.3.1 Биомиметика. 13

3.2.2. 3D-биопринтинг. 14

3.3 Нанотехнологии и поатомная сборка. 15

Глава 4. Свойства, которыми должны обладать новые материалы.. 17

Глава 5. Проблемы создания новых материалов. 19

II. Работа над практической частью проекта. 20

Заключение. 22

Список используемой литературы: 23

Приложения. 25

Введение: Благодаря тому, что люди научились обрабатывать камень появились первые орудия труда, а освоение руд позволило значительно их улучшить. В ХХ веке появляются пластик, резина и кардинально меняют жизнь людей; а чуть позже люди начинают использовать кремний и развивается электроника, у людей появляется доступ к практически неограниченному количеству информации.

 Невозможно представить нашу жизнь без материалов. Получение и разработка новых материалов являются основой современного производства и во многом определяют прогресс в науке и технологии, а также экономический потенциал государства. Прогрессивные идеи многих ученых и инженеров по созданию новых машин долгое время не могли быть воплощены в жизнь из-за отсутствия соответствующих материалов с необходимыми физико-механическими свойствами. В последние десятилетия материаловедение развивается особенно интенсивно. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики. Для этого понадобилось включение в число промышленных материалов почти всех элементов периодической системы.

Все это говорит о том, что изменения, происходящие в науке и технологии и влияющие на все аспекты человеческой жизни, в значительной степени затрагивают материаловедение. Но как создаются новые материалы? Что уже сейчас в человеческом организме можно заменить на рукотворные детали и какие материалы для этого нужны? Можно ли, проследив их историю, предположить, какие материалы будут определять нашу реальность в будущем? И какие шаги можно предпринять для того, чтобы не возникло их нехватки?

Исходя из вышеозвученного я поставила целью своего проекта, опираясь на изученную информацию, раскрыть свойства материалов будущего

Гипотеза проекта: развитие материалов оказывает значительное влияние на жизнь людей и технический прогресс

Объект исследования: материалы как основа производства

Предмет исследования: свойства материалов будущего

В данной исследовательской работе я пользовалась книгой Неймана А. «Материалы будущего», в которой затрагиваются актуальные проблемы современного материаловедения, а также таким Интернет-ресурсом, как phys.org, на котором я нашла статью Макколма Г. «Как ученые разрабатывают новые материалы».

Задачи проекта:

1.                 Рассмотреть историю развития материалов

2.                 Изучить недавно появившиеся и разрабатывающиеся материалы

3.                 Узнать, как создаются новые материалы

4.                 Узнать, какими свойствами должны обладать материалы

5.                 Изучить возможные проблемы создания новых материалов

6.                 Спрогнозировать возможности материалов будущего

7.                 Сделать вывод

Методы исследования:

1. Поиск, сбор и обработка информации по теме проекта

2. Исследовательский метод

3. Прогнозирование

I. Теоретическая часть проекта

Глава 1. История развития материалов

На очень ранних стадиях истории человечества разделение труда отсутствовало, и было необходимо удовлетворить лишь собственные прямые потребности. И только с возрастанием разделения труда увеличился интерес к изменению веществ, данных природой.

Развивающаяся техника и связанное с этим постепенно растущее использование материалов во все исторические эпохи были необходимым следствием желания людей улучшить свою жизнь. Без определенных материалов в соответствующем количестве, качестве, форме и порядке, без приобретения необходимых для этого знаний и умений человечество осталось бы на примитивной ступени развития.

Более миллиона лет, с момента отделения человека от животного мира, люди сознательно использовали камень. [1]

Камень (см. приложение 1)

Не из любого камня можно было изготовить пригодные орудия. Древние люди ценили высокую твердость камня: обрабатывали им дерево, использовали в качестве плуга или оружия. Но у него есть недостаток — низкая устойчивость к появлению трещин, поэтому каменные орудия недолговечны. В некоторых древнейших захоронениях были обнаружены кристаллы горного хрусталя, что говорит о том, что уже древние люди собирали минералы и интересовались ими.

Бронза (см. приложение 2)

Трещиностойкость у металлов на порядок выше, чем у камней. Когда люди научились выплавлять бронзу, они получили более долговечные орудия, которые не скалываются и не крошатся, как камень, после нескольких использований. В жизни человека появились новые отрасли и профессии: обработка и литье металлов, ковка и гравировка. Новые мастера производили украшения, элементы одежды, оружие, доспехи, инструменты для быта и земледелия. Бронза в руках людей создала новые рынки, которые привели к росту международной торговли и установлению новых культурных связей — бронзовые изделия экспортировались в регионы, где их не производили.

Железо (см. приложение 3)

После бронзы люди научились выплавлять железо, орудия из которого постепенно вытеснили бронзовые. Проблема железа и его сплавов в том, что они ржавеют. И до сих пор человечество не знает универсального рецепта преодолеть это.

Можно говорить о том, что после железного века был век пара, затем век электричества. Но доминирующим материалом и в эти времена продолжали оставаться сплавы на основе железа — например, сталь и чугун.

Полимеры (см. приложение 4)

В 20–30-е годы ХХ века наступила эра полимеров. Нельзя представить нашу жизнь без пластиков, резин. Полимеры уникальны, потому что сочетают в себе несколько противоположных качеств. Эра этих материалов длилась вплоть до начала компьютерной революции, но и сейчас они играют огромную роль в нашей жизни.

Кремниевые полупроводники и умные материалы (см. приложение 5)

XX век был взрывом в материаловедении — как в способах создания материалов, так в способах проектирования материалов. Последним важным направлением стало создание умных материалов, способных давать отклик на некое воздействие, которое вы к ним прикладываете. [6]

Глава 2. Материалы в современном мире

2.1. Двумерные материалы

Открытый в 2004 году графен (один атомарный слой углерода, т. е. лист из углерода толщиной в один атом) до сих пор не исчерпал себя как объект исследований, потому что демонстрирует физику, которая не проявляется ни в каких других системах. Графен открыли в лаборатории выпускника МФТИ Андрея Гейма в рамках мероприятия под названием «Friday night experiment». Пытаясь понять, насколько тонкий кусок графита можно создать, один из ученых приложил к нему скотч. Под микроскопом на скотче обнаружилась тонкая однослойная пленка, которая не коллапсировала в трехмерную структуру, а оставалась стабильной. На сегодняшний день графен представляет собой уникальную платформу для изучения физики низкоразмерных структур. Этот материал обязан совокупности своих уникальных свойств: он самый тонкий, прочный, жёсткий, теплопроводный. Графен может выдерживать огромные плотности тока и механические растяжения, является уникальной непроницаемой структурой, не пропускающей даже атомы гелия. [7]

Появляются все новые разновидности двумерных материалов, которые не менее интересны, чем графен, и из них можно извлечь очень многое для фундаментальной и прикладной науки. Графен положил этому начало и остается одним из важнейших открытий физики. XXI века.

2.2 Пластиковая электроника

Первоначально обнаруженная в конце 1970-х годов, пластиковая электроника — это расширяющаяся технология, которая приносит нам множество продуктов, включающих гибкие и прозрачные электронные схемы. Вместо того чтобы полагаться на обычные, жесткие и хрупкие кремниевые чипы, на которых основана почти вся современная электроника, для обработки информации, пластиковая технология опирается на новые органические материалы, которые можно печатать так же, как цветные чернила можно печатать на бумаге.

Однако полный их коммерческий потенциал был затруднен требованием высокого напряжения питания. Физики доктор Ауке Кронемейер и доктор Энрико Гили, разработали технологию, которая обеспечивает более простой способ изготовления пластиковых электронных схем с относительно высокой производительностью. [8]

Интеграционный потенциал новой технологии откроет возможности для производства совершенно новых продуктов, а также более легких, более гибких версий существующих продуктов. Например, для ручного калькулятора на солнечной батарее требуется несколько отдельных компонентов, содержащихся в громоздком корпусе. Используя пластиковую электронную технологию, все эти компоненты можно объединить на одной пластиковой подложке, просто печатая разные чернила в разных областях. Более того, конечным результатом будет прозрачный кусок гибкого пластика, выполняющий операции, аналогичные оригинальному, громоздкому калькулятору. [4]

2.3 Умные материалы

Умные материалы — это огромный класс материалов, которых объединяет то, что под воздействием какого-то внешнего фактора — изменения давления, температуры, влажности — начинает изменяться одна либо несколько характеристик материала.

Один из самых простых примеров — материалы с памятью формы, суть которых заключается в том, что они могут восстанавливать свою форму даже после существенных деформаций.

Такие материалы применяются в медицине, а также в аэрокосмической отрасли для разработки летательных аппаратов, которые могли бы реагировать на изменение температур и изменять свою внешнюю конфигурацию.

Есть и класс стрессочувствительных материалов. Суть их в том, что небольшие деформации, напряжения, возникающие в нем, приводят к существенным изменениям магнитных характеристик микропровода.

Такие провода могут использоваться в материалах для нефтегазовых труб: если где-то образуются трещины, то изменяется магнитная характеристика в микропроводе, что позволяет быстро обнаружить даже небольшие повреждения. Также их можно применять для встраивания в протезы, чтобы детектировать разрушения.

Еще одна большая область применения «умных» материалов — это самозалечивающиеся материалы.

 В строительстве их можно использовать как самовосстанавливающееся дорожное покрытие, или умный бетон для возведения устойчивых к разрушениям зданий.

Cамоочищающиеся материалы (англ. self-cleaning materials) — отталкивающие воду, органические жидкости и прочие загрязнения.

Еще один пример «умного» материала – это ThermalTech - запатентованная легкая умная ткань, сделанная из стопроцентной нержавеющей стальной проволоки. Она хорошо поглощает тепло от ультрафиолетового излучения, а затем распределяет его по всей поверхности. Легкий спортивный костюм, созданный из этой ткани, может давать столько же тепла, сколько дает одежда из шерсти. (см. приложение 6)

Направлений, в которых сейчас развиваются умные материалы, огромное количество: конструкционные материалы, биоматериалы, неорганические, органические, полимерные, ткани на основе природных соединений. [2]

Глава 3. Создание новых материалов

3.1 Моделирование и предсказывание

Свойства и структура новых материалов моделируются на суперкомпьютерах. С помощью компьютерных моделирований в 2015 году было предсказано, что есть структуры с железом внутри, которые находятся ближе к ядру Земли. При гигантских давлениях и температуре формируется совершенно новая структура материала.

Можно руководствоваться таблицей Менделеева. Зная, какими параметрами заданы те или иные химические элементы, можно предсказывать, как они будут себя вести, когда вы создаете новые материалы из атомов и молекул. На суперкомпьютерах прорабатываются возможные варианты расположения атомов и комбинаций.

Однако для реальных инженерных задач обычно используются материалы, которые сделаны давно, но путем комбинации, добавления в них других известных материалов либо просто химических элементов, чем можно значительно менять их характеристики. [1]

3.2 Композиты

Еще в древности люди догадались, что в составе одного материала можно сочетать вещества с разными свойствами. В современном понимании композиционный материал — смесь, состоящая из двух или более разных компонентов. Сочетая вещества с разными свойствами, можно получить новый, композиционный материал. Самый известный пример такого материала — железобетон. Армирующий наполнитель — металлические прутья — обладает более высоким модулем упругости, чем бетон, и повышает жесткость материала. Благодаря этому можно строить сравнительно легкие и высокие конструкции, которые при этом не будут терять устойчивость и разрушаться под собственным весом или внешними нагрузками. По такому же принципу устроены и другие конструкционные композиты. [3]

В XX веке в материаловедении основным подходом была комбинация свойств разных материалов. Однако подход XXI века — не просто смешать материалы, но и архитектурировать их.

3.3 Архитектурирование

Архитектурирование, или tailored architecting, — это подход, когда по заранее спроектированным моделям начинает воспроизводиться материал. То есть можно взять композиционный материал, который исчерпал свои возможности, и воспроизвести особую структуру на разных размерных уровнях: нано, микро, макро. За счет игры со структурой материала на разных уровнях изменяются его свойства. [5] Это стандартная идея материаловедения.

3.3.1 Биомиметика

Чтобы создать искусственную кость, которую не будет отвергать человеческий организм, нужно сделать ее максимально похожей на настоящую: по структуре, химическому составу, механическим характеристикам. Повторение свойств природного объекта — это и есть биомиметика, частный случай архитектурирования.

Биомиметические материалы воспроизводят структурные особенности природных тканей или объектов. Например, на поверхности листьев лотоса — водного многолетнего растения — есть нанорельеф, за счет которого лист легко отталкивает воду, приобретая гидрофобность. Повторяя наноструктуру листа лотоса, можно сделать непромокаемые ткани или гидрофобное антивандальное покрытие для стен.

Биомиметические материалы используют в медицине для замены поврежденных тканей организма человека. Различные имплантаты костей и хрящей должны не только по своей внешней форме походить на замещаемый орган, но и иметь на других размерных уровнях структуру, которая обеспечит стабильную работу организма. В отиличие от обычного композиционного материала такая система может стать частью живого организма.[9]

Самый точный метод — печать с помощью 3D-принтеров, которые появились относительно недавно и позволяют архитектурировать материал на малых масштабах, добиваясь необходимых свойств.

3.2.2. 3D-биопринтинг

Для трехмерной биопечати используются биочернила, состоящие из гидрогеля и специальных стволовых клеток, которые способны преобразовываться в любые другие типы клеток, поэтому с помощью биочернил можно напечатать любую ткань или орган человеческого организма. Современные технологии позволяют печатать искусственную кожу непосредственно на пациенте. Благодаря технологии трехмерной биопечати были созданы эпителии роговицы (2016), хрящи (2016) и кожа (2017). Однако напечатать работающий внутренний орган, например, печень или сердце еще не является возможным.

Существует также 4D-печать. Это обычная 3D-печать, но материалами с памятью формы. Сейчас стали появляться концепты, согласно которым можно распечатать имплантаты с заданными характеристиками под индивидуального человека уже в изначальном объеме, а потом заставить имплантат внутри организма принять новую форму и выполнить специальные функции. [10]

Трехмерная биопечать — это, пожалуй, одно из самых перспективных направлений в современной медицине, одна из задач которого решить острую проблему клинической медицины — нехватку органов для трансплантации.

3.3 Нанотехнологии и поатомная сборка

Одно из наиболее перспективных направлений развития материаловедения сегодня — это работа со структурами все меньшего масштаба. Нанотехнологии — это способы манипуляции с материалами, хотя бы один из размеров которых меньше 100 нанометров. Такая граница объясняется тем, что при уменьшении размеров до 100 нанометров и менее у материалов зачастую появляются новые свойства.

Наночастицы позволяют изобретать материал с нужными свойствами, не придумывая нового материала. То есть работают все с тем же материалом, что и раньше, но с наночастицами другого размера. Например, если взять взвесь наночастиц золота с разным диаметром, можно придать ей любой цвет, просто меняя диаметр наночастиц золота— от синего до красного. [11]

С большой вероятностью в ближайшем будущем нанокомпозиты будут широко применяться в медицине для доставки лекарств, создания различных сенсоров и имплантатов и так далее.

Глава 4. Свойства, которыми должны обладать новые материалы

В зависимости от того, где используются материалы, необходимы различные свойства. Многие из основных технологических задач требуют новых материалов с особыми свойствами, будь то новый препарат, солнечная батарея, компьютерный чип или оболочка самолета. Материалы для использования в человеческом организме должны быть нетоксичными и устойчивыми к коррозии от крови и других жидкостей организма. Новые упаковочные материалы должны быть дешевыми в производстве, легко перерабатываемыми или биоразлагаемыми. При разработке новых материалов материаловеды уделяют основное внимание качеству материалов, которое может складываться из таких характеристик, как

·        технологичность,

·        весовая эффективность,

·        надежность, выносливости,

·        трещиностойкостью. [12]

Требования к материалам будущего предполагают, что они должны быть более легкими, прочными, экономичными. В зависимости от отрасли промышленности от них также ждут таких свойств, как гибкость или жесткость, тепло- и износостойкость, плотность.  В то же время исследователи стараются усовершенствовать уже существующие материалы и одновременно предлагают совершенно новые, которые, при использовании изо дня в день, могут открыть перед нами принципиально новые технологические горизонты.

Следует также отметить, что современные предприятия, работающие в жесткой конкурентной среде готовы, будут принимать в производство лишь новые материалы, отличающиеся как высоким комплексом эксплуатационных и механических свойств, так и высоким потенциалом промышленной применимости, оценивать который возможно по предложенным в работе характеристикам.

Глава 5. Проблемы создания новых материалов

Одна из главных проблем – дороговизна. Финансируют только те проекты, на которые есть высокий спрос, которые могут стать частью массового производства. Таким образом, если у ученого (изобретателя) есть идея, реализуя которую можно получить новый материал, который не станет полезным в повседневной жизни большинству людей, то финансировать такой проект невыгодно с экономической точки зрения.

Немаловажной проблемой также является ограниченность, нехватка ресурсов. Однако изучение материалов, разработка новых материалов и усовершенствование старых призваны сыграть важнейшую роль в условиях дефицита ресурсов. Новые материалы, к примеру, светопоглощающие строительные материалы, могут помочь противостоять глобальному потеплению. Чтобы продолжать технологические открытия, нужно адаптировать производство так, чтобы было возможно создавать как можно больше, тратя гораздо меньшее количество ресурсов. Поэтому необходимо, чтобы технологии будущего состояли из материалов, требующих минимальной энергии для работы. [13]

II. Работа над практической частью проекта

Изучив современные тенденции развития материалов с помощью научных статей, слов материаловедов и различных Интернет-ресурсов, я могу, опираясь на изложенную информацию, составить общее описание материалов будущего.

Так, проанализировав историю развития материалов, я выделила основные причины необходимости создания новых материалов:

·        избавление от недостатков уже существующих предметов (улучшение комфорта)

·        удобство и комфорт добычи материалов (легкие в изобретении, не требующие особых усилий)

·        добавление новых свойств материалам (т. е. появление у них функций, которых раньше не было, но которые значительно облегчают жизнь человека)

Исследовав мир современных материалов, я смогла сформулировать те аспекты их создания, которым уделяют особое внимание:

·        обнаружение новых свойств известных ранее химических материалов

·        уменьшение затраченной на их создание энергии

·        простота изготовления

·        легкость использования

Способы создания материалов помогли составить общую картину о возможных методах изготовления материалов будущего. В особенности это обнаружение новых вариаций материалы компьютером, активное использование 3D и 4D печати, а также нанотехнологии, результатом которых может стать материал с непредсказуемыми свойствами.

Также мое исследование показало, что особое внимание в создании современных материалов уделяют защите окружающей среды, уменьшению негативного влияния промышленности на природу.

С экономической точки зрения создание новых материалов требует соотношения с существующим укладом, учета сильной конкуренции, которая, с одной стороны, позволяет выпускать в массовое производство только лучшие проекты, а с другой, оставляет незначительные, но, возможно, полезные изобретения неопубликованными. Также важно улучшать и само производство в сторону уменьшения затратов энергии.

Все это позволило мне спрогнозировать возможные свойства и качества материалов будущего, которые я оформила в виде схемы. (см. приложение 7)

Заключение

Работая над проектом, я выполнила все поставленные задачи. Я узнала, что история развития материалов с самого появления человеческой цивилизации была неразрывно связана с производственной деятельностью людей. Развивающаяся техника и связанное с этим постепенно растущее использование материалов во все исторические эпохи были безусловно необходимой предпосылкой желания людей улучшить свою жизнь. Без определенных материалов в соответствующем количестве, качестве, форме и порядке, без приобретения необходимых для этого знаний и умений человечество осталось бы на примитивной ступени развития. Изучая материалы современности, я выяснила, что они активно разрабатываются и совершенствуются и в наши дни, открывая человеку все больше возможностей, становясь доступнее и функциональнее. Также я рассмотрела способы создания новых материалов и узнала, какими свойствами они должны обладать.

Целью своего проекта я ставила раскрытие свойств материалов будущего. Я считаю, что достигла ее, рассмотрев возможные пути развития различных материалов, а также способов их создания в практической части своего проекта.

Изучая данную тему, я пришла к выводу о том, что если заметен прогресс в медицине, энергетике, вычислительной технике и транспорте, то материальная революция является неотъемлемой частью научного процесса открытий. Развитие материалов изменяет жизнь даже далекого от науки человека. Таким образом, я подтвердила свою гипотезу о том, что развитие материалов оказывает значительное влияние на жизнь людей и технический прогресс

Список используемой литературы:

1.     Келли А. «Краткая энциклопедия композиционных материалов» – Англия, 1994 г. – С. 350

2.     Нейман А. «Материалы будущего» - М.: Химия, 1985 г. – С. 158 – 206

3.     Юрлова Н. А. «Умные материалы и конструкции: фантастика или реальность» - 2013 г. – С. 55-68

4.     Научный журнал Advanced Materials – 2012 г. - том 24, № 12, с. 1558-1565.

5.     Двумерные материалы, их свойства и перспективы [Электронный ресурс] – URL: http://science.misis.ru/ru/views/843/13656/ (Дата обращения: 07.02.2020)

6.     Как ученые разрабатывают новые материалы. Макколм Г. [Электронный ресурс] – URL: https://phys.org/news/2016-04-molecular-architectshow-scientists-materials.html (Дата обращения: 08.01.2020)

7.     Краткая история развития материалов//Материалы будущего [Электронный ресурс] – URL: http://www.bibliotekar.ru/materialy/7.htm (Дата обращения: 08.01.2020)

8.     Материалы будущего - Руководство [Электронный ресурс] – URL: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5004 (Дата обращения: 16.03.2020)

9.     Пластиковая электроника//Электроника для начинающих [Электронный ресурс] – URL: https://habr.com/ru/post/141958/ (Дата обращения: 07.02.2020)

10.  Принципы создания новых материалов с позиции материаловедения и технологического развития//Электронный научный архив [Электронный ресурс] – URL: http://elar.urfu.ru/handle/10995/41928 (Дата обращения: 16.03.2020)

Приложения

Приложение 1. Древние орудия из камня

Приложение 2. Мечи бронзового века XVII в. до н. э.

Приложение 3. Железный нож с рукояткой из слоновой кости, XIX в.

Приложение 4. Кристаллическая решетка кевлара

Приложение 5. Копия первого работающего транзистора

Приложение 6. ThermalTech - легкая умная ткань

Приложение 7. Материалы будущего (практическая часть)