ИЕРАРХИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 5 курс МФТИ 2012 г М

ИЕРАРХИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 5 курс МФТИ, 2012 г М. В. Алфимов

Вводная ЛЕКЦИЯ • Основные понятия. • Содержание курса лекций

Материал • Ансамбль взаимодействующих атомов и молекул размером от нано до макро, сохраняющий форму… (уточнить вместе с ребятам)

Классификация материалов • По степени порядка. • Кристаллические, аморфные, смешанной структуры • По сложности строения • Многомасштабные • Иерархические • Гибридные

Многомасштабность • Что это значит? ? ? (Сформулировать определение)

Иерархическая система • «Под иерархической системой мы понимаем ансамбль взаимодействующих частей, который состоит из последовательности вложенных одна в другую взаимодействующих субъединиц(или может быть разложен или разделен на такие субъединицы)» • J. S. Nicolis Dynamics of Hierarchical Systems

• Иерархичность – особая архитектура организации атомов или молекул в материале (веществе), т. е. материал состоит из элементов (субъединиц) различного размера и имеет архитектуру организации элементов в материале, при которой элементы меньшего размера включены в элементы большего размера.

Материалы и устройства будущего будут иметь иерархическое строение и состоять из вложенных друг в друга субструктур ( «русская матрёшка» ) Разнообразие наноструктур Разнообразие характеристик • Если допустить, что материалы и устройства будущего должны создаваться с учетом индивилуальных особенностей человека, то материалы и устройства будущего должны иметь сложный состав и иерархическое строение (типа русская матрёшка), т. е. состоять из вложенных друг в друга, субструктур. Одной из субструктур материалов и устройств будут наноструктуры

Сравнение диапазона возможных характеристик обычных и иерархических материалов а) обычные материалы, б) иерархически структурированные материалы. Пометки: а – для обычных материалов характерны экстремальные значения одной характеристики; b – уникальные сочетания характеристик ИСМ, недостижимое в обычных материалах; с – отсутствие экстремальных значений каждой отдельной характеристики для ИСМ.

Что дает иерархическая организация материала? • Изменять свойства материала можно за счет вариации состава и строения субструктур любого уровня иерархии. • Создавать материалы с «избыточными» характеристиками , которые можно «включать» или «выключать» в процессе эксплуатации, настраивать на потребителя • Иерархическая структура может строиться «снизу – вверх» за счет самосборки субструктур более низкого уровня. • Проектировать материалы с заданными свойствами.

Введение. О чем курс лекций • • Введение. О чем курс лекций Предметом лекции является –Общие принципы построения вещества и материалов – (как выбирается строение)СТРОЕНИЕ и (каким методом реализуется строение)МЕТОДЫ (ТЕХНОЛОГИИ) неорганические и органические, созданные Природой и человеком. Химический состав и строение, свойства материалов. СВЯЗЬ между составом, строением и свойствами материалов. Процессы получения материалов. Цель курса показать: 1) вокруг нас ОГРОМНОЕ разнообразие материалов, отличающееся по своим свойствам, 2) НО все известные материалы (сделанные природой и человеком) состоят всего из 80 элементов 3) РАЗНООБРАЗИЕ свойств обеспечивается комбинацией ( по одному по два и т. д. элементов в составе) в материале элементов и способами их упаковки в пространстве, 4) ВСЕ известные и неизвестные (пока !) материалы построены с использованием ограниченног чмсла технологий(на основе общих подходов), 5)СТРОЕНИЕ - многомасштабное строение- имеют элементы многих масштабов –состоят из атомов(А), молекул(1 -10 А), наноструктур (1 -100 нм), микроструктур(0. 1 -10 мк. ) , 6) БАЗОВАЯ АРХИТЕКТУРА ПРИРОДЫ- иерархическое строениеие материала, 6) ТЕХНОЛОГЯ- (САМОСБОРКА СНИЗУ – ВВЕРХ» , ( все Природные материалы построены по технологии «снизу-вверх» в основе которой лежит самоорганизация вещества(атомов, молекул, наночастиц, микрочастиц), 7) ДИАПАЗОН получаемых при таком подходе свойств материалов задается строением элементов из которых строится материал и условиям «внешней среды» (температура, внешние поля-свет) и т. д(среда отбирает из возможностей, заданных исходным

Разделы курса • Часть 1. Иерархия природы. Материалы в неживой и живой природе. Химический состав и строение - свойства. • Часть 2. Функциональные иерархические искусственные (синтетические) материалы.

Список лекций курса • • Лекция 1. Окружающий мир с точки зрения пытливого (наблюдательного) человека. История познания окружающего мира. Органы чувств. Лекция 2 Окружающий мир с точки зрения живых организмов ( и человека, предполагает !). Органы чувств. Лекция 3 -5. Окружающий мир с точки зрения физика. Вещество, поле, пространство, время. Первые этапы Эволюция (до образования планет)– плазма, элементарные частицы, элементы-легкие и тяжелые, атомы молекулы…Иерархия организации. Сложные системы. Самоорганизация вещества. ТЕХНОЛОГИИ ПРИРОДЫ Лекция 6. Строение органов чувств человека с точки зрения физика. Детекторы вещества и поля, обработка сигнала. Лекция 7 -8. Строение приемного слоя обонятельного и зрительного рецептора. Другие биоматериалы. Лекция 9. ИССКУСТВЕННЫЕ светочувствительны иерархические материалы. Строение – свойства. Лекция 10. ИССКУСТВЕННЫЕ иерархические флуоресцентные хемочувствительные материалы. Строение – свойства.

Структура сухожилия

Строение коллагеновой фибриллы (фрагмент )

Строение молекулы тропоколлагена (фрагмент).