Автор: Пользователь скрыл имя, 24 Августа 2011 в 12:06, курсовая работа
Промышленное освоение конструкционных и функциональных материалов на основе наноматериалов и нанотехнологий создаст реальный экономический эффект за счет создания новых конкурентоспособных изделий в реальном секторе экономики и выхода этих изделий на отечественный и мировой рынки. Качественно новые эксплуатационные и потребительские свойства таких изделий позволяют достичь увеличения безаварийного срока службы деталей и устройств, снижения расходов на замену вышедшего из строя оборудования и уменьшения сроков простоя оборудования, расширения области применения наноматериалов.
Введение……………………………………………………………………2
1. Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии………….6
2. Сканирующая туннельная микроскопия………………………………8
3. Наноматериалы………………………………………………………….11
3.1. Фуллерены……………………………………………………………..11
3.2. Фуллериты……………………………………………………………..11
3.3. Углеродные нанотрубки………………………………………………12
3.4. Сверхпрочные материалы…………………………………………….13
3.5. Высокопроводящие материалы………………………………………14
4. Нанокластеры……………………………………………………………15
4.1 Формирование нанокластерной системы оксидов железа…………..17
Термодинамическая модель зарождения и роста кластеров
4.2. Магнитные свойства наносистемы оксидов железа………………...22
5. Наноустройства………………………………………………………….31
5.1. Молекулярные шестерни и насосы…………………………………..31
5.2. Алмазная память для компьютеров………………………………….31
5.3. Ассемблеры и дизассемблеры………………………………………..32
5.4. Медицинский наноробот……………………………………………...33
Заключение…………………………………………………………………34
Список использованной литературы……………………………………..35
Рис. 5. Xe/Ni (110)
3.
Наноматериалы
3.1
Фуллерены
Фуллерены
как новая форма существования углерода
в природе наряду с давно известными алмазом
и графитом, были открыты в 1985 г. при попытках
астрофизиков объяснить спектры межзвездной
пыли. Оказалось, что атомы углерода могут
образовать высокосимметричную молекулу
С60. Такая молекула состоит из 60
атомов углерода, расположенных на сфере
с диаметром приблизительно в один нанометр
и напоминает футбольный мяч. В соответствии
с теоремой Л. Эйлера, атомы углерода образуют
12 правильных пятиугольников и 20 правильных
шестиугольников. Молекула названа в честь
архитектора Р. Фуллера, построившего
дом из пятиугольников и шестиугольников.
Первоначально С60 получали в небольших
количествах, а затем, в 1990г., была открыта
технология их крупномасштабного производства.
3.2
Фуллериты
Молекулы
С60 , в свою очередь, могут образовать
кристалл фуллерит с гранецентрированной
кубической решеткой и достаточно слабыми
межмолекулярными связями. В этом кристалле
имеются октаэдрические и тетраэдрические
полости, в которых могут находиться посторонние
атомы. Если октаэдрические полости заполнены
ионами щелочных металлов (К (калий), Rb
(рубидий), Cs (цезий)), то при температурах
ниже комнатной структура этих веществ
перестраивается и образуется новый полимерный
материал ¦1С60. Если заполнить также и
тетраэдрические полости, то образуется
сверхпроводящий материал ¦зС60 с критической
температурой 20-40 К. Изучение сверхпроводящих
фуллеритов проводится, в частности, в
Институте им. Макса Планка в Штутгарте.
Существуют фуллериты и с другими присадками,
дающими материалу уникальные свойства.
Например, С60-этилен имеет ферромагнитные
свойства. Высокая активность в новой
области химии привела к тому, что уже
к 1997 г. насчитывалось более 9000 фуллереновых
соединений.
3.3
Углеродные нанотрубки
Из
углерода можно получить молекулы с
гигантским числом атомов. Такая молекула,
например С=1000000, может представлять
собой однослойную трубку с диаметром
около нанометра и длиной в
несколько десятков микрон (рис. 7).
Рис.
7. Нехиральные нанотрубки.
На
поверхности трубки атомы углерода
расположены в вершинах правильных
шестиугольников. Концы трубки закрыты
с помощью шести правильных пятиугольников.
Следует отметить роль числа сторон правильных
многоугольников в формировании двухмерных
поверхностей, состоящих из атомов углерода,
в трехмерном пространстве. Правильные
шестиугольники являются ячейкой в плоском
графитовом листе, который можно свернуть
в трубки различной хиральности (m, n)3
. Правильные пятиугольники (семиугольники)
являются локальными дефектами в графитовом
листе, позволяющими получить его положительную
(отрицательную) кривизну. Таким образом,
комбинации правильных пяти-, шести- и
семиугольников позволяют получать разнообразные
формы углеродных поверхностей в трехмерном
пространстве (рис. 8).
Рис.
8. Изогнутая трубка.
Геометрия
этих наноконструкций определяет их
уникальные физические и химические
свойства и, следовательно, возможность
существования принципиально
3.4
Сверхпрочные материалы
Связи
между атомами углерода в графитовом
листе являются самыми сильными среди
известных, поэтому бездефектные углеродные
трубки на два порядка прочнее
стали и приблизительно в четыре
раза легче ее! Одна из важнейших задач
технологии в области новых углеродных
материалов заключается в создании нанотрубок
"бесконечной" длины. Из таких трубок
можно изготовлять легкие композитные
материалы предельной прочности для нужд
техники нового века. Это силовые элементы
мостов и строений, несущие конструкции
компактных летательных аппаратов, элементы
турбин, силовые блоки двигателей с предельно
малым удельным потреблением топлива
и т.п. В настоящее время научились изготавливать
трубки длиной в десятки микрон при диаметре
порядка одного нанометра.
3.5 Высокопроводящие материалы
Известно, что в кристаллическом графите проводимость вдоль плоскости слоя наиболее высокая среди известных материалов и, напротив, в направлении, перпендикулярном листу, мала. Поэтому ожидается, что электрические кабели, сделанные из нанотрубок, при комнатной температуре будут иметь электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели. Дело за технологией, позволяющей производить трубки достаточной длины и в достаточном количестве.
4.
Нанокластеры
К
множеству нанообъектов относятся
сверхмалые частицы, состоящие из десятков,
сотен или тысяч атомов. Свойства
кластеров кардинально
В
последнее десятилетие развитие
экспериментальных методов
Для
синтеза нанокластеров и
4.1
Формирование нанокластерной системы
оксидов железа. Термодинамическая модель
зарождения и роста кластеров
Эффективный
метод синтеза наносистем из твердотельных
железооксидных кластеров основан на
термическом разложении оксалата железа.
Процесс разложения при температуре выше
некоторой критической точки начинается
с формирования активной реакционной
среды, в которой происходит зарождение
нанокластеров оксида железа. Этот процесс
формирования кластеров можно сравнить
с процессом образования зародышей в растворе
или расплаве, заполняющем ограниченный
объем. Ограничение имеет место, когда
кластер образуется в замкнутой поре конечного
объема или в результате диффузионного
ограничения, которое не позволяет возмущению
концентрации маточной среды, вызванному
изменением размера кластера, продвинуться
за время нуклеации
дальше, чем на расстояние
? где D – коэффициент диффузии. Именно
это расстояние определяет размер окружающей
кластер ячейки, за пределы которой компоненты
маточной среды во время нуклеации проникнуть
не могут. Для одного кластера в системе
неконтактирующих наночастиц зависимость
свободной энергии
Гиббса от радиуса кластера описывается
формулой
(1)
где
- плотность поверхностной энергии
кластера,
- плотность вещества в кластере,
- изменение химического потенциала
при переходе одного нуклеирующего атома
железа из маточной среды в кластер. Если
кластер и окружающая среда содержат всего
N атомов, из которых
- атомы железа и из них n атомов входит
в состав кластера, то при
(2)
где - измеренное в единицах kТ изменение стандартного химического потенциала при переходе одного атома железа из среды в структуру кластера.
При
зарождении кластер не контактирует
с другими кластерами. Запишем
выражения для площади
(3)
Функция имеет максимум в точке ( - критический радиус зародышей при нуклеации), и минимум в точке . Выражение (3) характеризует зарождение и рост кластера в системе неконтактирующих наночастиц. Дальнейший рост кластеров приводит
к
образованию контактов и спеканию системы.
Если на этой стадии расстояние между
центрами кластеров равно, то выражения
для площади поверхности и объема кластера
в контакте можно записать так:
где к – число контактирующих с кластером соседей.
Изменение свободной энергии Гиббса на стадии спекания составляет:
(4)
Для примера на рис.1’ представлена зависимость для . Первый минимум в точке соответствует исходному состоянию маточной среды. Второй минимум в точке отвечает первому устойчивому состоянию – равновесному состоянию образовавшихся, но не контактирующих кластеров. Третий минимум соответствует системе кластеров имеющих к контактирующих соседних частиц, подвергаемых спеканию при условии . Соответственно первый максимум при представляет
собой
потенциальный барьер нуклеации, второй
- потенциальный барьер стадии спекания.
Рис.2’ демонстрирует вид потенциального барьера процесса спекания для к =6 и различных значений . В плотно заселенной кластерами системе, при , спекание
происходит
без барьера. В менее плотно заселенной
системе, при
, процесс перехода к спеканию осуществляется
через потенциальный барьер, а в еще менее
плотно заселенной системе, при
, спекание вообще не происходит.
На кривых дифференциального термического анализа и дифференциальной термической гравиметрии для процесса термического разложения оксалата железа на воздухе обнаруживаются два минимума: при и при . При выделяются , , и начинает формироваться подвижная среда, в которой зарождаются и растут кластеры оксида железа. Второй минимум при , по-видимому связан с дальнейшим удалением из оксалата и , и началом спекания кластеров оксида железа.
Размер
кластеров увеличивается с
Информация о работе Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии