Муниципальное
бюджетное образовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 1 г.
Никольска»
Проектная
работа по физике
ФИЗИКА
НАНОМАТЕРИАЛОВ
Руководитель:
Слепухина Людмила Владимировна, учитель физики
Выполнила:
Басалаева Юлия Анатольевна, ученица 10 «Б» класса
Никольск
2021
Оглавление 1. Введение................................................................................. 3
2. Основная часть............................................................................................... 5
2.1. Нанотехнологии. Классификация наноматериалов.................................. 5
2.2. История появления................................................................................... 6
2.3. Физические свойства наноматериалов...................................................... 7
2.4. Физические методы получения наноматериалов.................................... 10
2.5. Анализ перспективы на ближайшие исследования................................ 13
3. Заключение................................................................................................... 14
Список использованных источников информации.......................................... 15
1. Введение.
Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.
Артур Чарльз Кларк[1] Человечество вступило в XXI
столетие с приставкой «нано». Разработка наноматериалов и наноструктур
затрачивает все большее количество как финансовых, так и человеческих ресурсов.
Проводимые учеными всего мира исследования прогнозируют, что наше будущее будет
неразрывно связано с нанопроцессами. Кроме того, Реймонд Курцвейл и Эрик
Дрекслер, будучи изобретателями-футурологами, называют XXI век «Веком
нанотехнологий», объясняя это тем, что будущее будет напрямую зависеть от
проводимых сейчас разработок.
На данный момент нанотехнологическое развитие
настолько важно, что является одной из государственных задач в мире. Это
подтверждается ростом значимости нанотехнологий для науки и обширностью
применения наноматериалов в таких областях, как энергетика, космические
технологии, электро- и радиотехника, биотехнологии и в других, не менее важных.
Принимая во внимание эти факторы, считаем исследуемую
тему актуальной.
Проблема. Высокий уровень заинтересованности
государства данным направлением науки доказывает важность и перспективность
исследований в этой сфере. Но поскольку в рамках школьного образования
нанотехнологии не рассматриваются, имеет смысл изучить в данной работе не
только связь нанотехнологий с физикой, а также появление новых приоритетных
направлений в области физики, связанные с применением наноструктурных объектов.
Объект исследования. Наноматериалы.
Предмет
исследования. Физические характеристики наноматериалов.
Цель работы. Выявление перспективных
направлений нанофизики на основе анализа влияния физических процессов на
характеристики и методы получения наночастиц.
Задачи.
1.
Провести анализ информации для изучения проблемы.
2.
Выделить основные моменты в истории зарождения нанотехнологий.
3.
Охарактеризовать наиболее важные физические свойства,
наблюдаемые у наноматериалов.
4.
Рассмотреть вопрос о получении наноматериалов с точки зрения
физики.
5.
Выявить перспективные направления в физике с применением
нанотехнологий на ближайшее десятилетие.
6.
Подвести итоги работы, сделать выводы.
Методы анализа. Сбор и анализ статистической
информации из официальных источников, вторичной информации печатных и электронных
изданий.
Практическая значимость. Результаты проектной
работы могут быть использованы на уроках физики, а также для общего
осведомления учащихся школы.
Нанотехнологиями[2]
принято считать совокупность технологических методов и приемов,
ориентированных на изучение, проектирование и производство материалов, а также
целенаправленный контроль и управление строением, возможность создавать и
модифицировать объекты с размерами в нанодиапазоне (т.е. от 1 до 100нм).
Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции
(схождения) органического и неорганического мира с последующим созданием новых
структурных материалов.
Согласно классификации И.П. Суздалева[3]
наноструктурные материалы подразделяют на две группы. К первой относят
изолированные и слабо взаимодействующие нанокластеры, такие как фуллерены,
углеродные, молекулярные, коллоидные кластеры, а также газовые безлигандные
(т.е. кластеры щелочных металлов, алюминия, ртути). Ко второй -
твердотельные нанокластеры и наноструктуры, а именно, матричные нанокластеры и
супрамолекулярные наноструктуры, кластерные кристаллы и фуллериты,
нанокомпозиты, нанопленки и нанотрубки. Эта классификация была создана по принципу
получения этих материалов, хотя особой точного разделения между ними нет.
Такое разнообразие наноструктур определяет, в первую
очередь, квантовый характер наносостояния. Такие системы далеки от равновесия
по причине наличия развитой поверхности. Расположение атомов вблизи поверхности
отличны как геометрически, так и физически от положений в объеме кристалла.
Зарождение идей о возможных исследованиях объектов на
атомномолекулярном уровне началось довольно давно. Но эти предположения не
реализовывались в действия долгое время. Первое упоминание о методах, которые
впоследствии назовут нанотехнологиями сделал Ричард Фейман, выдающийся
американский физик, лауреат нобелевской премии. Ему удалость заметить
перспективность управления материалами в диапазонах малых размеров, а также
возможность создания устройств принципом молекулярного строения.
Эта мысль прозвучала в его докладе «Внизу полным-полно
места: приглашение в новый мир физики» на конференции 29 декабря 1959 года
в Калифорнийском технологическом институте (впоследствии эта дата будет
считаться Днем Рождения нанотехнологий). Он был уверен, что «научившись
регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы
с совершенно неожиданными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты»[4].
Именно Р. Фейман выдвинул идею о возможности работы с отдельными атомами. Также
в своем докладе он изложил основные проблемы миниатюризации объектов. Несмотря
на трудности работы с нанообъектами, он был уверен в перспективности развития
этого направления.
Впервые сам термин «нанотехнологии» был употреблен
японском профессором Норио Танигучи в докладе «Основные принципы
нанотехнологии» на конференции точного машиностроения в Токио в 1974 году при
обсуждении проблем обработки хрупких материалов[5].
Впервые получить нанокристаллические материалы удалось
немецкому ученому Герберту Гляйтеру в 1981 году. Но должное внимание ученых к
наномиру привлек лишь в 1986 году американский ученый Эрик Дрекслер. В своих
книгах он рассмотрел всевозможные аспекты применения наноструктурных
материалов. Также Э. Дрекслером были развиты некоторые идеи Р. Фейнмана. В
1980-х годах он также использовал этот термин в своих книгах: «Машины создания:
Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of
Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular
Machinery,
Manufacturing, and Computation».[6]
Подводя итог, достаточно давно уже были выдвинуты идеи
развития данной области науки. Ученые полагали, что конструирование материалов
на атомно-молекулярном уровне, в целом, не противоречит законам физики, поэтому
возлагались большие надежды на физические процессы.
Наноматериалы, как правило, занимают промежуточное
положение между микрочастицами и молекулами. Заметим, что наноматериалы также
являются объектами молекулярной физики, что подтверждает наличие у них как
физических, так и химических свойств.
Наноструктуры являются одним из наиболее сложных
состояний конденсированной фазы. Структурные особенности наноматериалов
определяются методом организации строения, связанной с изменением постоянной
решетки нанокластера.
Докажем наличие физических характеристик у наноструктур
на примере рассмотрения следующих свойств:
1.
Механические свойства. Механические свойства
материалов напрямую зависят от структуры, дефектности и состоянии межзеренных
границ7. При уменьшении размеров у наноматериалов наблюдаются
существенные изменения в значениях прочности, твердости и пластичности
материалов.
Например, модуль упругости (модуль Юнга) почти в 10 раз больше, чем у
стали, а прочность выше примерно в 20 раз. Такие материалы обладают высокой
пластичностью за счет наличия широкой сетки границ и хорошему проскальзыванию
зерен на этих границах. Так же по сравнению с другими объектами, у наностуктур
происходит увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости.
2.
Электромагнитные свойства[7].
Уменьшение размера кластера приводит к уменьшению электропроводности. У
металлических нанотрубок сопротивление незначительно и почти линейно возрастает
с температурой, а у полупроводниковых наблюдается почти линейная зависимость
логарифма сопротивления от обратной температуры. Также нанотрубки обладают ярко
выраженным магнитосопротивлением. При приложении внешнего магнитного поля в
направлении оси нанотрубки в зависимости от напряженности поля наблюдаются
осцилляции электрического сопротивления (квантовомеханический эффект
Ааронова-Бома). Кроме того, они обладают повышенной электронной эмиссионной
способностью, что позволяет их использовать в низкотемпературных катодах.
3.
Оптические свойства. Оптические свойства наноструктур
не сильно отличаются от свойств кристаллических твердых тел. Но происходит
существенное изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения, также
увеличивается рассеивающая способность. Особенностью наноматериалов является
такое оптическое свойство, как способность их взрываться при интенсивном
освещении (например, при фотовспышке). Причина этого явления в том, что при
фотовспышке происходит нагрев кислорода, находящегося как внутри, так и вне
нанотрубок. Нагрев приводит к резкому повышению температуры внутри нанотрубок и
мгновенному сгоранию. В отсутствие кислорода эффект не наблюдается[8].
4.Термические свойства. Тепловые свойства
изучены достаточно плохо. Теплопроводность углеродных наноматериалов заметно
отличается от других аллотропных форм углерода. Если для алмаза и графита
велика, то для фуллеренов и нанотрубок она низкая. К примеру, при комнатной
температуре абсолютное значение коэффициента теплопроводности образца,
заполненного нанотрубками, примерно в 60 раз меньше, чем для графита. Материалы
с фуллеренами и углеродными нанотрубками обладают низкой теплопроводностью, так
как имеют слабую межмолекулярную связь между молекулами фуллерена в кристалле и
неупорядоченной структурой объектов, содержащих углеродные трубки. У
наноматериалов также заметно уменьшение спекания на 15-20% по причине изменения
спектра фононов.
5. Химические свойства. Химические
свойства включают синтез, очистку и различные формы химического модифицирования
внутренней и внешней поверхностей нанотрубок[9]. Так как
углеродные нанотрубки и фуллерены представляют собой каркасные структуры, они
выглядят как оболочки, пустые внутри. Важнейшим свойством нанотрубок является
способность поглощать и удерживать водород и другие вещества в больших
количествах. Это значит, что они могут выступать как хранилищами газообразных и
жидких веществ, так и служить хорошими катализаторами для многих химических
реакций. Отличительной особенностью углеродных нанотрубок также является
увеличение растворимости (до 20-25 %) в кислотах и понижение температур
химических реакций.
Формирование наноматериалов возможно при существенных
отклонениях от исходного условия равновесия, и происходит в основном в ходе
таких процессов, как фазовые превращения, химическое взаимодействие, высокие
механические нагрузки, биологический синтез[10]. Важно
заметить, что конечный продукт, содержащий наноматериалы, не обязательно сам
является наноматериалом.
Лауреат нобелевской премии Т.Сведберг[11]
предложил разделить методы получения наноструктур на две группы:
диспергационные (измельчение или распыление макроскопической фазы) и конденсационные
(химическая или физическая конденсация).
Если проще судить, то их можно разделить на три
группы: физические, химические и механические методы. В основе механических
методов получения лежит высокое воздействие деформирующих нагрузок: трения, давления,
прессования, вибрации, и т.п. К химическим относятся методы, основным
диспергирующим этапом которых являются: осаждение, электролиз, восстановление,
термическое разложение, метод золь-гель. Биологические методы получения
основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых
телах.
Рассмотрим основные физические
методы:
1.
Вакуум–сублимационная технология. Подготовленный
раствор исходного вещества (растворители-эфиры, жидкий азот) замораживают с
целью зафиксировать равномерное пространственное распределение компонентов,
присущее жидкости для получения минимально возможного размера кристаллитов в
твёрдой фазе, а затем удаляют кристаллиты растворителя путем возгонки. Остается
слабо связанное пористое тело кристаллитов, при механическом воздействии на
которое получают нанопорошок.
2.
Газофазный синтез (метод Гляйтера или метод
испарения-конденсации)[12](рис.1). Вещество
помещают в тигель из тугоплавких материалов (вольфрам, тантал, графит или
стеклоуглерод). Затем к нему подводят большое количество энергии. Нагрев
испаряемого материала может Рисунок
1.
1-
испаряемое вещество, 2-
осуществляться различными
способами: нагреватель,
3- осадительная
резистивным, лазерным, плазменным,
поверхность, 4- подвод и
откачка
энергии
электродуговым разрядом,
индукционным,
ионным. Происходит испарение
исходного вещества при интенсивном нагревании, а затем осаждение нанопорошка на
поверхность при резком охлаждении. Этот метод основан на синтезе нанообъектов
порошков в результате фазового перехода пар – твёрдое тело или пар – жидкость –
твёрдое тело в газовом объёме либо на охлаждаемой поверхности. Процесс
испарения–конденсации можно проводить в вакууме или среде нейтрального газа.
3. Распыление
струи расплава жидкостью или газом(диспергирование)(рис.2)
Тонкая струя расплавленной жидкости подается в камеру, где
разбивается на мелкие капли под
давлением сжатого
инертного Рисунок 2. Схемы
распыления струи расплава агаза или струей другой жидкости. перпендикулярным газовым потоком. б-
распыление соосным газовым потоком. в-газовый поток под
Диспергирование перегретых
углом к струе. 1-разбивающий
газовый поток. 2диспергирующий поток расплава.
металлов
приводит к
образованию однородных по составу и
размерам частиц. Степень кристалличности можно менять скоростью охлаждения.
Получаемый порошок имеет размеры частиц 50-100 нм[13].
В качестве газов в этом методе используют аргон или азот; в качестве жидкостей
– воду, спирты, ацетон, ацетальдегид.
4. Плазменная
струя.[14] Плазма – частично или
полностью ионизированный газ, образующийся в результате термической ионизации
атомов и молекул при высоких температурах. В технологических процессах обычно
используют низкотемпературную плазму. Основу установки для синтеза наночастиц
оксидов металлов составляют реакционная камера, в которую введены разрядные
электроды и ультразвуковой излучатель, трансформаторный генератор
высоковольтных импульсов для зажигания разряда, источник питания разряда в
жидкости, ультразвуковой генератор, средства управления и контроля
электрофизических и акустических характеристик.
5. Спиннигование
(закалка из жидкого состояния). Формирование наноструктур возможно способом
закалки из жидкого состояния или спиннингованием. Способ состоит в получении
тонких лент с помощью быстрого (не менее 106 К/с) охлаждения расплава на
поверхности вращающегося диска или барабана. Образцы нанокристаллических лент
имеет размеры зерна 5-12 нм.
Таким образом, в зависимости от
способа получения такие характеристики наноматериалов, как средний размер и
форма частиц, величина удельной поверхности, содержание в них примесей и др.,
могут колебаться в весьма широких пределах.
Согласно программе фундаментальных научных
исследований[15] на долгосрочный период (2021 - 2030
гг.), утвержденной в распоряжении правительства РФ от 31 декабря 2020 г. №
3684-р, будут финансированы и продолжены фундаментальные исследования систем и
процессов, используемых для создания новых систем генерации.
Технологический прорыв ожидается в интегральной,
волоконной и адаптивной оптике, где главной задачей является миниатюризация
оптических элементов. Новые материалы станут основой методов оптической
диагностики веществ со сверхвысоким пространственным, временным и
энергетическим разрешением.
Новым перспективным направлением является развитие
квантовых технологий. Это позволит обеспечивать создание устройств с новыми
уникальными характеристиками (например, элементы нанофотоники и наноплазмоники,
имеющих потенциальное применение в области квантовой информатики, криптографии,
сенсорики, телекоммуникаций).
Кроме того, значительный междисциплинарный интерес
представляет создание новых типов функциональных материалов и структур, таких
как высоко- и низкотемпературные сверхпроводники, композиты, полупроводники и
структуры с заданными характеристиками.
Все вышесказанное дает нам возможность сделать вывод о
том, что в сфере профессий будут развиваться следующие направления:
метаматериалы, диагностика материалов и элементов микро- и наноэлектроники,
твердотельная электроника, тeхнологии и методы, повышающие быстродействие и
увеличивающие степень интеграции в микро- и наноэлектронике, элементная база
для перспективных информационно-вычислительных систем, работающих на новых
физических принципах, цифровые аддитивные трехмерные технологии и другие.
Интенсивная разработка нанообъектов и наносистем ведет
к созданию усовершенствованной аппаратуры и углублению исследований в различных
дисциплинах.
Нами был проведен анализ философской, научной
литературы, посвященной изучению наночастиц и нанотехнологий. Основной толчок к
началу исследований в данной области совершил Ричард Фейман. Другие ученые, как
Эрик Дрекслер, Норио Танигучи, Герберт Гляйтер также внесли огромный вклад в
развитие данного направления науки.
Наноматериалы, как объекты междисциплинарной
прикладной области, обладают прежде всего физическими характеристиками. Эти
свойства отличны от свойств привычных нам атомов, молекул или объемных
материалов. В нашей работе были также рассмотрены методы получения наночастиц с
точки зрения физики. Многообразие способов позволяет наблюдать разнообразие
свойств таких материалов, также позволяет расширять разновидности полученных
веществ. Мы доказали, что ученые научились управлять и контролировать материю
на атомном уровне.
Поскольку с каждым днем возрастает
значимость наноматериалов, в данной работе мы узнали о перспективных
направлениях в области нанотехнологических исследованиях, основанных, в первую
очередь, на законах физики.
Выявили, что перспективны будут
проводимые исследования магнитных наноструктур, сверхпроводящих систем,
полупроводниковых наноструктур и др. Так же немалое внимание будет уделено
разработке новых методов и моделей для решения задач нанофизики.
Путем анализа документов, имеющих
авторство, мы достигли цели, а именно доказали влияние физических процессов на
характеристики и методы получения наночастиц, а также выявили наиболее
перспективные направления нанофизики в ближайшем будущем.
1.
Булычев Н.А., Гриднева Е.С., Кистерев Э.В., Золеззи А., .УДК
533.92:57.083.3 Применение плазменного разряда для синтеза наноматериалов и
создания технологии стерилизации воды.
2.
Кирчанов В.С. учебное пособие «Наноматериалы и нанотехнологии»/
Пермский нац. исслед. политех. ун-т. – Пермь. Изд-во Перм. нац. иссл. политех.
ун-та 2016- 193 с.
2.
Машков Ю. К., Малий О. В.: конспект лекций «Материалы и методы
нанотехнологии»/Мин.обр.науки России, ОмГТУ. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014 – 136
с.
3.
Мишустин М.В. Распоряжение правительства РФ от 31 декабря 2020 г.
№ 3684-р.
4.
Национальный стандарт РФ «Нанотехнологии», ГОСТ Р 55416-2013/ 1с.
5.
Отраднова О.А. «Нанотехнологии и их роль в понимании реальности в
современном обществе»/Межд.жур. приклад. исслед. 2013.г., № 12.
6.
Офицерова Н.В., доцент каф. ЭФ, учебное пособие «Наноструктурные
материалы», 2017г.
7.
Попов М. Е., Зайцев Д. Д. «Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов».
8.
Рыжонков Д.И., Лёвина В.В., Дзидзигури Э.Л.: Наноматериалы. /М.:
БИНОМ. Лаборатор. знаний.2010. -365 с.
9.
Суздалев И.П.: «Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров,
наноструктур и наноматериалов» Изд2-е –М.: «Либроком» 2009(592 с.) 10.
Фаерштейн Константин Леонидович. Синтез наноструктур BN и их применение для
упрочнения легких металлических матриц на основе Al/ Москва, 2016г.
11. Фейнман Р. Ф. «Внизу полным-полно
места: приглашение в новый мир физики» (Перевод с английского канд. физ.-мат.
наук А. В. Хачояна)
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.