דגם ננו-צינור פחמן
סופה של שנה אחת ותחילתה של שנה אחריה הם תקופה מיוחדת שבה מבקר האנושות הרצון לנתח את העבר ולהרהר במה שעומד לפנינו. ובתחילת השנה החדשה, אנו רוצים לסקור את 10 הפיתוחים החשובים ביותר בננוטכנולוגיה מאז תחילת הפיתוח שלהם, הקשורים למדעי החומרים.
כך מתחיל J.Wood, אחד מעורכיו, את פרסומו בגיליון שלאחר השנה החדשה של Materials Today, תוהה אילו אירועים ב-50 השנים האחרונות קבעו את הדינמיקה הגבוהה של היום בהתפתחות מדעי החומרים. ווד מזהה 10 אירועים (לא כולל את הגילוי של מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה כאן, כמובן כאירוע משמעותי יותר עבור פיזיקאים מאשר עבור מדעני חומרים).
במקום הראשון- "מפת דרכים בינלאומית למוליכים למחצה" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), לא תגלית מדעית, אלא, למעשה, מסמך (סקירה אנליטית) שנערך על ידי קבוצה בינלאומית גדולה של מומחים (ב-1994, יותר מ-400 טכנולוגים היו מעורבים בהרכבת המפה, ובשנת 2007 יותר מ-1200 מומחים מהתעשייה, מעבדות לאומיות ומוסדות אקדמיים). בשילוב מדע, טכנולוגיה וכלכלה, המפה קובעת יעדים שניתן להשיג בפרק זמן נתון ואת הדרכים הטובות ביותר להשיגם. הדו"ח הסופי (בשנת 2007 הוא מכיל 18 פרקים ו-1000 עמודי טקסט) הוא תוצאה של הסכמה בקרב רוב המומחים, שהושגה לאחר דיונים ממושכים. מארגנים רוסים של מחקר ננו התמודדו עם בעיה דומה בבחירת המטרה של פיתוח ננו. הם מנסים תוך זמן קצר "למצוא" את מה שכבר "מחולל" ברוסיה, וקוראים למועצות המומחים שנוצרו בחופזה למצוא את הכיוון האופטימלי של ערוץ הפיתוח. היכרות עם התוכן של דו"ח ITRS והניסיון בארגון מחקרים אלה יהיו מועילים כמובן.
אורז. 1. מחקר מוליכים למחצה על בסיס ITRS
מקום שני- מיקרוסקופ מנהור סורק - אינו מפתיע, כי ההמצאה הזו (1981) היא ששימשה דחף לננו-מחקר וננו-טכנולוגיות.
מקום שלישי- ההשפעה של עמידות מגנטית ענקית במבנים רב-שכבתיים של חומרים מגנטיים ולא מגנטיים (1988), שעל בסיסם נוצרו ראשי קריאה לדיסקים קשיחים, אשר מצוידים כעת בכל המחשבים האישיים.
מקום רביעי- לייזרים מוליכים למחצה ונוריות LED על GaAs (הפיתוח הראשון מתחיל ב-1962), המרכיבים העיקריים של מערכות תקשורת, נגני CD ו-DVD, מדפסות לייזר.
מקום חמישי- שוב מתייחס לא לתגלית מדעית, אלא לאירוע מאורגן היטב בשנת 2000 לקידום מחקר מדעי מתקדם מאסיבי - מה שנקרא. יוזמת ננוטכנולוגיה לאומית של ארה"ב. המדע ברחבי העולם חייב כיום הרבה לחובבי היוזמה הזו - הנשיא דאז ב' קלינטון וד"ר מ' רוקו (מיהאיל סי רוקו) מהקרן הלאומית למדע בארה"ב. בשנת 2007, המימון העולמי למחקר ננו עלה על 12 מיליארד דולר. תוכניות מדעיות רלוונטיות הושקו ב-60 (!) מדינות בעולם. אגב, עמדתם של כמה מדענים רוסים שאינם מרוצים מ"סופת הננו-שלגים" [לדוגמה, 2] קצת לא מובנת, כי סופת השלגים הזו היא שאילצה את ממשלת רוסיה לפנות סוף סוף למדע.
אורז. 2. אופניים מחוזקים בננו-סיבים
מקום שישי– פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן. חומרים מרוכבים - קלים וחזקים - שינו תעשיות רבות: מטוסים, טכנולוגיית חלל, תחבורה, אריזה, ציוד ספורט.
מקום שביעי– חומרים לסוללות ליתיום יון. קשה לדמיין שעד לא מזמן היינו בלי מחשבים ניידים וטלפונים ניידים. "מהפכה ניידת" זו לא הייתה מתאפשרת ללא המעבר מסוללות נטענות באמצעות אלקטרוליטים מימיים לסוללות ליתיום יון עתירות אנרגיה (קתודה - LiCoO__2__ או LiFeO__4__, אנודה - פחמן).
מקום שמיני– ננו-צינוריות פחמן (1991), לגילוין קדם גילוי מרעיש לא פחות ב-1985 של C__60__ פולרנים. כיום, המאפיינים המדהימים, הייחודיים והמבטיחים של ננו-מבני פחמן עומדים במרכז הפרסומים החמים ביותר. עם זאת, יש עדיין שאלות רבות בנוגע לשיטות של סינתזה המונית שלהם עם תכונות הומוגניות, שיטות טיהור וטכנולוגיות להכללתם בננו-מכשירים.
אורז. 3. מטא-חומר הסופג קרינה אלקטרומגנטית
מקום תשיעי– חומרים לליתוגרפיה מודפסת רכה. תהליכים ליטוגרפיים תופסים מקום מרכזי בייצור מכשירים ומעגלים מיקרואלקטרוניים, מדיות אחסון ומוצרים נוספים, ואין אלטרנטיבה בעתיד הקרוב. ליטוגרפיה מודפסת רכה משתמשת בחותמת polydimethyloxysilane גמישה שניתן להשתמש בה מספר פעמים. ניתן להשתמש בשיטה על מצעים שטוחים, מעוקלים וגמישים עם רזולוציה של עד 30 ננומטר שהושגה כיום.
1מומלץ לפרסום על ידי המכון למטלורגיה ומדעי החומרים (IMET) im. א.א. Baykov RAS (מעבדה לכימיה פיזיקלית וטכנולוגיית ציפוי - ראש מעבדה V.I. Kalita, דוקטור למדעים טכניים, פרופסור) ואוניברסיטת סנט פטרבורג להנדסה וכלכלה (המחלקה להנדסה ומדעים טכניים - ראש המחלקה V.K. Fedyukin, דוקטור לטכניקה מדעים, פרופסור, חבר מקביל באקדמיה הבינלאומית להשכלה גבוהה) כעזר הוראה לסטודנטים באוניברסיטאות הלומדים בתחומי הכשרה טכנולוגיים במסגרת הקורס "טכנולוגיות וחומרים מודרניים לתעשיות".
קיבל את גרף UMO לתמ"ש מס' 04-01 (מאושר ע"י האגודה החינוכית והמתודולוגית לחינוך פדגוגי מקצועי כעזר הוראה לתלמידי מוסדות חינוך גבוהים).
התקדמות מדעית וטכנולוגית בתחום הטכנולוגיות הגבוהות - במדעי החומרים, האלקטרוניקה, המיקרומכניקה, הרפואה ותחומי פעילות אנושית אחרים קשורה לתוצאות של מחקר בסיסי ויישומי, עיצוב ושימוש מעשי במבנים, חומרים והתקנים, האלמנטים מהם בעלי ממדים בתחום הננומטר (1 ננומטר = 10-9 מטר), ופיתוח טכנולוגיות לייצור (ננוטכנולוגיה) ושיטות אבחון. האובייקטים של הננוטכנולוגיה במדעי החומרים הם חומרים מפוזרים, סרטים וחומרים ננו-גבישיים.
מטרת המדריך היא להכיר לסטודנטים ומומחים כיוון יעיל חדש בפיתוח המדע והטכנולוגיה בתחום הננו-חומרים והננו-טכנולוגיות, בפרט, סינתזה של חומרים מבניים ננו-גבישיים בעלי תכונות ייחודיות ודוגמאות לשימושם בתעשייה. .
המדריך דן ביסודות התיאורטיים והטכנולוגיים, הבעיות והסיכויים של ננו-מדע וננו-תעשייה. מוצעות הגדרות של מושגי היסוד של מדע הננו. הנתונים על ננו-חומרים וננו-מבנים מסודרים וסיווגם ניתן. מתוארות שיטות למחקר ועיצוב של ננו-מבנים. ניתן ניתוח של שיטות לסינתזה של חומרים בננו ומספר דוגמאות ליישום שלהם בטכנולוגיות מסורתיות וחדשות בתעשיות שונות. התכונות של שינויים בתכונות הפיזיקליות, המכניות והטכנולוגיות של ננו-חומרים מבניים ופונקציונליים נחשבות.
ספר הלימוד מיועד לתלמידי מוסדות להשכלה גבוהה הלומדים בהתמחויות שונות, לומדים קורסים במדעי החומרים וטכנולוגיה של חומרים מבניים. זה עשוי להיות שימושי עבור סטודנטים לתארים מתקדמים, מומחים וחוקרים העוסקים בננו-חומרים וננו-טכנולוגיות.
מבנה ההדרכה:
מבוא.
פרק 1. יסודות והיבטים של התפתחות מדע הננו-חומרים והננו-טכנולוגיות.
פרק 2. ננו-חומרים וננו-מבנים.
פרק 3. שיטות ללימוד ועיצוב ננו-מבנים.
פרק 4. טכנולוגיות להשגת חומרים בננו וייצור ננו-מוצרים.
פרק 5. תכונות מכניות של ננו-חומרים.
סיכום.
רשימה ביבליוגרפית.
רשימת מונחים.
נספח: תערוכה מיוחדת של ננו-טכנולוגיות וננו-חומרים.
קישור ביבליוגרפי
זבלין S.F., Alymova M.I. מדע חומרים וטכנולוגיה של חומרים ננוסטרוקטורים (TUTORIAL) // International Journal of Experimental Education. - 2015. - מס' 1. - עמ' 65-66;כתובת אתר: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (תאריך גישה: 17/09/2019). אנו מביאים לידיעתכם את כתבי העת בהוצאת ההוצאה "האקדמיה להיסטוריה של הטבע" בית > מסמך
משרד החינוך והמדע של הפדרציה הרוסית
מוסד חינוך ממלכתי
השכלה מקצועית גבוהה
"אקדמיית הטקסטיל הממלכתית של איבנובו"
המחלקה לפיזיקה וננוטכנולוגיה
| לְאַשֵׁר סגן הרקטור לעניינים אקדמיים V.V. Lyubimtsev "_____" ____________________ 2011 |
||
| מדע החומרים של ננו-חומרים וננו-מערכות |
||
| קוד, כיוון הכנה | 152200 ננו הנדסה |
|
| פרופיל אימון | ננו חומרים |
|
| מחזור, קוד | מתמטיקה ומדעי הטבע (B.3.1-3a) |
|
| סמסטר(ים) | ||
| הסמכה (תואר) של הבוגר | בוגר תואר ראשון |
|
| צורת לימוד | זמן מלא |
|
| סגל | תעשיית האופנה |
|
איבנובו 2011
כתוצאה מלימוד הדיסציפלינה "מדעי החומרים של ננו-חומרים וננו-מערכות", על התלמידים: לָדַעַת: - מאפיינים ויישומים של אבקה מפוזרת בננו, חומרים מוצקים, נוזליים וג'ל דמויי ג'ל במבנה ננו של פולרן, אלמנטים וחפצים בגודל ננו, מערכות ננו (הטרו-מבנים); יסודות הננו-טכנולוגיות להשגת ננו-חומרים; יסודות של ננו-טכנולוגיות להשגת התקשות בננו-מבנה ושיפוע, שכבות וציפויים מגנים ופונקציונליים; יסודות של תהליכים טכנולוגיים לסינתזה של חומרים מרוכבים; להיות מסוגל ל: - לבחור ננו-מבנים ושיטות ייצור שלהם ליישום ננו-אובייקטים עם מאפיינים מוגדרים לדרישות הספציפיות של המרה של אותות חשמליים, אופטיים, מגנטיים, תרמיים ומכאניים; - להשתמש במושגים ובהגדרות הבסיסיות בגיבוש ידע מעמיק בתחום הננו-הנדסה; - לנתח את התכונות של ננו-מוצרים וננו-טכנולוגיות; עריכת דיאגרמות של ציוד טכנולוגי והתקנים לתהליכים ננוטכנולוגיים. שֶׁלוֹ: - מיומנויות בפתרון בעיות של יצירת ידע בתחום הננו-הנדסה. תוכנית העבודה של הדיסציפלינה מספקת את סוגי העבודה החינוכית הבאים:
| סוג עבודת הלימוד | סה"כ שעות / זיכויים | מספר סמסטר |
|
| פעילויות בכיתה (סה"כ) | |||
| לְרַבּוֹת: | |||
| שיעורים מעשיים (סמינרים) | |||
| עבודה עצמאית (סה"כ) | |||
| הכנה לשיעורים מעשיים (סמינרים) | |||
| חקר סוגיות תיאורטיות שהוגשו ללימוד עצמאי | |||
| הכנה למבחן | |||
| סוג הסמכה ביניים (מבחן, בחינה) | |||
| עוצמת העבודה הכוללת: שעות נקודות זכות | |||
ההיסטוריה של הופעתם של ננו-חומרים, הדינמיקה של פיתוחם והטמעתם בפועל.
מושגי יסוד וסיווג של חומרים בננו.
תכונות של מאפיינים וסוגים עיקריים של מערכות ננומטריות.
תהליכים טכנולוגיים של ייצור, עיבוד ושינוי של ננו-חומרים ומוצרים המבוססים עליהם.
| ראש המחלקה | א.ק. איזגורודין |
| מורה-מפתח |
המחלקה לננוטכנולוגיה, מדע חומרים ומכניקה הוקמה בדצמבר 2011 על בסיס שתי מחלקות של מכון TSU לפיזיקה וטכנולוגיה ובעלת שורשים היסטוריים עמוקים. במקורות המחלקה היו מדענים ברמה עולמית, פרופסורים M.A. קרישטל, ג.פ. לפין וא.א. ממונטוב, שתרם תרומה עצומה למדע מדעי החומרים הפיזיקליים ויצר את הבסיס לבסיס המחקר למדעי החומרים באוניברסיטה. סעיף "מכניקה"; מחלקת הבסיס "ננו-חומרים" (מוסקווה, מכון המחקר המרכזי של Chermet על שם I.P. Bardin), מרכז מדעי וחינוכי "מדע חומרים פיזיים וננוטכנולוגיות"; יותר מ-20 מעבדות חינוכיות ומחקר מודרניות ומצוידות היטב למיקרוסקופיה של אלקטרונים, לייזר, מיקרוסקופיה של כוח אטומי, בדיקות פיזיקליות ומכאניות, ניתוח עקיפות קרני רנטגן, מטאלוגרפיה ופליטת אקוסטית וכו', שלוש מהן מוסמכות במערכות של רוסטכנדזור. ומעבדות אנליטיות (SAAL); בית הספר הבינלאומי "מדעי החומרים הפיזיקליים" שיתוף פעולה עם בתי ספר מדעיים מובילים רוסיים וזרים, כולל אוניברסיטאות בגרמניה (פריברג), יפן (אוסקו, קיוטו), אוסטרליה (מלבורן) וכו'. כל הסטודנטים הבכירים עוסקים בעבודת מחקר פורייה והופכים מדי שנה לזוכים ולזוכי פרסים בתחרויות של עבודות מדעיות ופרויקטי דיפלומה. כמעט 100% מבוגרי המחלקה מועסקים, מתוכם 80% עובדים בהתמחותם במרכז המחקר ובמחלקה לבדיקות מעבדה של PJSC AVTOVAZ, מעבדות של המרכז האזורי לחדשנות וטכנולוגיה סמארה, וכן בארגוני מומחים. ממלא מקום ראש המחלקה פרופסור, דוקטור למדעים טכניים קלבטסובגנאדי וסבולודוביץ' תחומי הכשרהסטודנט לתואר ראשון: תואר שני: (פרופיל "הנדסת חומרים מתקדמים ואבחון התנהגות חומרים במוצרים") דוקטורט: (פרופיל "פיזיקה של חומר מעובה") – 22.06.01 טכנולוגיית חומרים (פרופיל "מדעי המתכות וטיפול בחום של מתכות וסגסוגות") מטרות התכנית החינוכית 22.04.01 חומרים מדע וטכנולוגיה (הנדסת חומרים מתקדמים ואבחון התנהגות חומרים במוצרים): ג 1. הכנת בוגר לעבודת מחקר בתחום מדעי החומרים המודרניים. C2. הכנת בוגר ליצירת חומרים חדשים, חקר תכונותיהם, פיתוח טכנולוגיה לייצורם. C3. הכנת בוגר לעיצוב חומרים בעלי תכונות רצויות. ג 4. הכנת בוגר לפעילות ייצור וטכנולוגית, המבטיחה הכנסתם לפעולה של פיתוחי הייטק חדשים המבוקשים ברמה העולמית. דיסציפלינותמורי המחלקה "ננוטכנולוגיה, מדעי חומרים ומכניקה" מעבירים שיעורים במקצועות הבאים: – מכניקה תיאורטית; - חוזק של חומרים; – תורת המכונות והמנגנונים; - חלקי מכונה; - מדעי החומרים; - טכנולוגיה של חומרים מבניים; – ננוטכנולוגיות בייצור ואקולוגיה; – בסיסים פיסיים וכימיים של ננו-טכנולוגיות; - מדע החומרים של ננו-חומרים וננו-מערכות; - פיזיקה של המצב המעובה; - שיווי משקל שלבים ויצירת מבנה; - מדעי החומרים הפיזיקליים; - חוזק של סגסוגות וחומרים מרוכבים; - טכנולוגיות וחומרים חדשים; – שיטות להתקשות חומרים מבניים; – שיטות מחקר לא הרסניות וכו'. חומרים תמיד מילאו תפקיד חשוב בהתפתחות הציוויליזציה. מדענים אומרים שניתן לתאר את ההיסטוריה של האנושות כשינוי בחומרים המשמשים. תקופות ההיסטוריה של הציוויליזציה נקראו על פי החומרים: תקופת האבן, הברונזה והברזל. אולי העידן הנוכחי ייקרא המאה של חומרים מרוכבים. במדינות מפותחות, מדעי החומרים מדורגים בין שלושת תחומי הידע המובילים יחד עם טכנולוגיית מידע וביוטכנולוגיה. כל ענף טכנולוגיה, ככל שהוא מתפתח, מציב יותר ויותר דרישות מגוונות וגבוהות לחומרים. לדוגמה, חומרים מבניים ללוויינים וחלליות, בנוסף לטמפרטורה (טמפרטורות גבוהות ונמוכות במיוחד) ולהתנגדות למחזוריות תרמית, חייבים להיות בעלי אטימות בוואקום מוחלט, עמידות בפני רטט, תאוצות גבוהות (עשרות אלפי מונים מהתאוצה של כוח הכבידה), הפצצת מטאוריטים, חשיפה ממושכת לפלזמה, קרינה, חוסר משקל וכו'. רק חומרים מרוכבים המורכבים ממספר רכיבים בעלי תכונות שונות בתכלית יכולים לספק דרישות סותרות כאלה. קומפוזיט אינטרמטאלי שכבות עם עמידות מוגברת בחום מרוכב סיבים על-מוליכים חומר מרוכב מחוזק בפיזור עמיד בפני שחיקה התפתחות הננו-טכנולוגיות (אחד הסעיפים של מדעי החומרים המודרניים), על פי התחזיות של רוב המומחים, תקבע את פני המאה ה-21. הדבר מאושר על ידי הענקת ארבעה פרסי נובל בכימיה ובפיזיקה במהלך 15 השנים האחרונות: על גילוי צורות חדשות של פחמן - פולרנים (1996) וגרפן (2010), על פיתוחים בתחום טכנולוגיית מוליכים למחצה ומעגלים משולבים. (2000), חיישני מוליכים למחצה אופטיים (2009). רוסיה נמצאת במקום השני בעולם מבחינת השקעות בננוטכנולוגיה, שנייה רק לארצות הברית (ב-2011 הסתכמו ההשקעות בכ-2 מיליארד דולר). נכון לעכשיו, המדע חווה פריחה של ממש בחומרים חדשים. בהקשר זה, מדעני חומרים מבוקשים בתעשיות רבות: באנרגיה גרעינית, רפואה, הפקת נפט, רכב, תעופה, חלל, ביטחון, תעשיות אנרגיה, תעשיית הספורט העילית, מכוני מחקר וחברות חדשניות המייצרות מוצרים עתירי מדע. חלקים ומכלולים של סוחוי סופרג'ט 100 עשויים מחומרים מרוכבים צגים גמישים המבוססים על גרפן ציוד ספורט מודרני עשוי מחומרים מרוכבים מדעני חומרים עוסקים בפיתוח, מחקר ושינוי של חומרים אורגניים ואי-אורגניים למטרות שונות; תהליכי ייצורם, יצירת המבנה, השינוי בשלבי הייצור, העיבוד והתפעול; סוגיות של אמינות ויעילות של חומרים; הדמיית מחשב של התנהגות חלקים ומכלולים תחת סוגים שונים של העמסה; לספק תמיכה טכנית למחלקות הייצור השונות בנושאים הנוגעים לחומרים לייצור יחידות ורכיבי ציוד, להשתתף בבחירה ובהערכה של ספקים פוטנציאליים של החברה. בוגרי כיווני "מדעי החומר" של VolgGTU מבוקשים לעבודה בחברות וארגונים גדולים: סניף OJSC SUAL של VgaZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureaufte Titanza, OJdSC VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 ועוד רבים אחרים. הכשרתם של בוגרי תואר ראשון ותואר שני מתבצעת במסגרת הכיוון "מדע חומרים וטכנולוגיה של חומרים" ב- אהב?לחץ על הכפתור אם אהבת את המאמר, זה יעזור לנו לפתח את הפרויקט. תודה! |
