Презентация МИОО лекция 3-а наноматериалы

МИОО МПГУ Учебно-научный центр функциональных и наноматериалов Методика формирования представлений учащихся о нанотехнологиях в общеобразовательной школе

ЛЕКЦИЯ 3 Н аноматериалы

Названия веков… Используемые материалы являются одним из основных показателей технической культуры общества. Это было отражено в названии веков «каменный век» , «бронзовый век» , «железный век» . ХХ 1 век, вероятно, назовут веком многофункциональных нано- и биоматериалов.

Макроскопические материалы можно отнести к наноматериалам, если элементами их структуры являются нанообъекты, наноразмерные элементы

а – трековая мембрана (АСМ); б – микронные проволочки (вторичные структуры) в электронном микроскопе.

ТМ – нанофильтры для кишечной палочки и стрептококков

Световоды на фотонных кристаллах

C лева – схема структуры нанокристаллического материала; справа – комплекс домов архитектора Франка Овена Герри (Дюссельдорф)

Увеличение доли поверхности в нанокристалле

Зависимость физических свойств нанокристаллических материалов от размера зерна

АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ (МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА) ПОЛУЧАЮТ ПРИ СКОРОСТЯХ ОХЛАЖДЕНИЯ 10 6 -10 10 К/с

Металлические стекла Первый сплав в аморфном состоянии был получен П. Давеза в 1960 г. (сплав золото-кремний в эвтектическом состоянии Au 75 Si 25 ) в Калифорнийском Технологическом Институте

Объемные аморфные металлические сплавы Сплавы на основе Zr , Ti , а также Al и Mg с добавкой La и переходных металлов. Низкое значение скорости охлаждения (1 – 500 К/с) позволяет получать сравнительно толстые (до 40 мм) изделия

Использование нанокристаллических материалов Нанокристаллические жаропрочные сплавы перспективны для изготовления лопаток нового поколения газовых турбин реактивных двигателей. Керамические наноматериалы используются как в аэрокосмической технике, так и для изготовления протезов в ортопедии и стоматологии.

Использование нанокристаллических материалов Добавление в ракетное топливо нанокристаллического алюминия может ускорить процесс горения в 15 раз.

Нанофазные (нанокристаллические) сплавы впервые были обнаружены в образцах лунного грунта. До сих пор они производятся в малых количествах

Композиты Композиционный материал, композит — неоднородный материал из двух и более компонент (составляющих), причем между компонентами существует практически четкая граница раздела. Характеризуется свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов, взятый в отдельности

Типы композиционных материалов

НАНОКОМПОЗИТЫ В нанокомпозитах по крайней мере одна компонента имеет наноразмеры Классический смысл границы раздела матрица-наполнитель теряется

Почти невесомая пленка наноскопической толщины (полимерные нановолокна соединены нанокристалликами)

Искусственная роговица

Функциональные материалы ( на фото японский солнечный парус) Функциональные материалы могут быть определены как материалы, свойства которых организуют или конструируют таким образом, чтобы они могли удовлетворить конкретному назначению (исполнительной функции) контролируемым способом. На этом и следующем фото – японские солнечные паруса

Металлизированные полимерные покрытия Металлизированные тонкопленочные изделия призваны заменить тяжеловесные зеркальные конструкции. Такие материалы широко применяются на космических аппаратах в качестве термо-окислительно-стабили зационных покрытий, рефлекторов или коллекторов световой энергии, для передачи оптической информации. В качестве пленки-матрицы рядом преимуществ обладают материалы на основе полиимида

Химически металлизированные ПИ пленки • Химически металлизированные пленки можно отнести к новым функциональным материалам, учитывая их повышенную отражательную способность и хорошую поверхностную проводимость. • Свойства таких пленок были исследованы в рамках международного научного гранта NATO Sf. P (Science for Peace) № 978013 • При химической металлизации образуется градиентный по содержанию наночастиц металла поверхностный слой. Фактически это нанокомпозит полимер/металл

Военная маскировка (визуально и для радара выглядит как хвоя)

«Умные» материалы Из класса функциональных материалов можно выделить активные или «умные» материалы. «Умные» или «интеллектуальные» материалы ( smart materials ) должны эффективно и самостоятельно менять свои свойства в непредвиденных обстоятельствах или при смене режима работы устройства.

НИТИНОЛ (интерметаллид Ni. Ti)

Фотохромные стекла (обратимо изменяют прозрачность при облучении)

Японский плащ-невидимка (справа кадр из фильма «Хищник» )

Умная одежда и обувь

Функциональные материалы будущего Применительно к «умным» материалам, разрабатываемым человеком, ставится футурологическая задача создания гиперфункциональных материалов , превосходящих в некоторых аспектах возможности отдельных биологических органов

Причины появления «умных» материалов и устройств • Потребность в умных материалах вызвана тем, что современные механизмы и устройства становятся уязвимыми, с одной стороны, из-за своей сложности, с другой – из-за все более жестких условий эксплуатации: разные среды, радиация, большие скорости движения и пр. • Специалисты в военной технике сухо характеризуют оператора-человека как «объект с малым быстродействием и существенным ограничением психофизиологических возможностей» .

Демонстрация «костюма скорпиона» 2010 и 2020 года в Капитолии (2004 г. )

Метаматериалы Особое место среди функциональных материалов занимают метаматериалы , свойства которых определяются в основном особенностями конструкции, а не химическим составом. Справа стержень в пустом стакане, с водой и с материалом с отрицательным коэффициентом преломления.

Материал с отрицательным КП (кажется, что рыбы плавают над водой)

Первый метаматериал с отрицательным КП В 2000 г. Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего создал первый материал с отрицательным коэффициентом преломления для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц из листов медной сетки, расположенной слоями

Проблема невидимости В 2006 году британский ученый Джон Пендри теоретически показал, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы из материала с отрицательным коэффициентом преломления, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым.

В августе 2008 г. две группы ученых создали два новых метаматериала с отрицательныи коэффициентом преломления Первый материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Во втором использован пористый оксид алюминия, внутри его полостей при помощи специального процесса выращены серебряные наноштыри, расположенные на расстоянии, меньшем длины световой волны.

Теплоизолирующий материал Aspens Pyrogel AR 5401 [ N ]. Температура факела газовой горелки внизу 1000 0 С

Беспилотный летательный аппарат Polecat, летающее крыло с размахом 28 метров, фирма Lockheed Martin, распечатан на трехмерном принтере

Процессы самоорганизации играют основную роль в массовом создании наноматериалов со строго одинаковыми элементами структуры

Нанофильтр из молекул антрахинона на поверхности меди. В каждую ячейку входит около 200 молекул

Магические кластеры Al на поверхности кристалла Si

НАНОПРОВОДА И НАНОЦВЕТЫ ИЗ ЦИСТЕИНА И АЦЕТАТА СВИНЦА И ИЗ ОКСИДА ЦИНКА

НАНОЦВЕТЫ И РЕАЛЬНОЕ РАСТЕНИЕ (D) (единство процессов самоорганизации в живой и неживой природе)

ГИБРИДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ Весьма перспективными являются гибридные наноматериалы , композиты на молекулярном уровне, состоящие из неорганических, органических и биологических компонентов. Среди последних выделяется ДНК

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ Особенностью биологических наноструктур является комплементарность , способность к распознаванию на молекулярном уровне (ДНК, антитела и др. ). Эта способность является основой работы биодатчиков , но она же может быть использована для самосборки наноструктур, что является ключевым моментом в процессах «снизу-вверх» .

Модель фрагмента двойной спирали ДНК

Жесткие пирамидки (10 нм) из ДНК (возможно, будут использованы в наноэлектронике)

Организация наночастиц золота в регулярную структуру с помощью сетки ДНК

«Смайлик-ДНК» и двухуровневая ДНК-карта

Биологическое материаловедение Поставлена глобальная задача развития, наряду с физическим материаловедением, биологического материаловедения

Белковые «пружины» А нкириновые повторы состоят из тандемных модулей приблизительно 33-х аминокислот. Их атомная структура очень необычна и представляет собой короткие антипараллельные альфа-витки, которые сами собираются в спирали. Б лагодаря такой структуре анкириновые повторы могут быстро восстанавливаться после растяжения. О бнаружены более чем в 400 протеинах человеческого организма. Они содержатся в клетках волос внутреннего уха, где играют важную роль в преобразовании акустических сигналов в электрические. Анкириновые белки также регулируют ионный обмен в мембране сердечной мышцы.

Супрамолекулярные структуры, супрамолекулярная химия Термин введен в 1978 г. выдающимся французским химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г. Ж. -М. Леном и определен им как “ химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами”. Развитие супрамолекулярной химии в значительной степени обусловлено ее междисциплинарным характером (органическая и координационная химия, физическая химия, биология, физика конденсированного состояния, микроэлектроники и др. )

Супрамолекулярные системы Иерархия выстраивается так: атомы — молекулы — супрамолекулярные системы — биологические системы. Супрамолекулярные системы — это мост между неживой и живой материей.

От молекулярной к супрамолекулярной химии (схема Ж. -М. Лена)

Вверху — типы супрамолекулярных структур; внизу — схема самосборки решетки из шести линейных молекул и девяти ионов серебра

Различные полимерные наноструктуры: звездообразный полимер, «волосатая наносфера» , полимерная щетка (АСМ)

Дендромер, «захвативший» лекарство

БИОМИМЕТИКА — нововведения, осуществляемые по образцу природы ( «Life Sciences» , Жанин Беньюс)

Биомиметика в наноматериалах

Наноструктуры с низкой отражающей способностью. Упорядоченная система нановыступов на крыльях цикады была перенесена на пленку из полиметилметакри лата

. «Микрокочки» на листе лотоса

Самоочищающиеся поверхности

БИОМИМЕТИЧЕСКИЕ ГИБРИДНЫЕ ПОЛИМЕРЫ, «МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ХИМЕРЫ» Полимеры, в макромолекулах которых присутствуют как природные, так и синтетические блоки. Такие полимеры способны формировать сложные супрамолекулярные ансамбли с рядом специфических функциональных свойств. Их создание рассматривается как стратегический путь конструирования «умных» наноматериалов

Новая роль компьютерного моделирования «…осознается потенциал моделей прогнозировать свойства, которые лежат за пределами современного эксперимента» Академик М. В. Алфимов

Компьютерное моделирование взаимодействия зонда АСМ с поверхностью

Компьютерное моделирование Основной проблемой всех этих расчетов является квантовомеханический характер свойств наночастиц. Применительно к отдельным атомам и молекулам соответствующий теоретический аппарат и численные методы развивались. Для макроскопических систем применялся статистический метод. Но число атомов в наночастицах обычно слишком мало для статистического метода и в то же время слишком велико для простых квантовых моделей.

Производство новых материалов По прогнозу из общего объема ежегодного рынка нанотехнологической продукции в 20015-2020 году (2 триллиона долларов США) 340 млрд долларов придется на новые материалы, которые не могут быть получены традиционными методами.

Из анализа экспертных оценок специалистов следует, что в ближайшие 20 лет 90 % современных материалов, применяемых в промышленности, будут заменены новыми, в частности «интеллектуальными», что позволит создать элементы конструкций, которые будут определять технический прогресс XXIв.

Литература • М. В. Алфимов, Нанотехнологии. Роль компьютерного моделирования, редакционная статья, журнал Российские Нанотехнологии, т. 2, № 7-8, 2007 г. • Д. Диксон, П. Каммингс, К. Хесс, Теория и моделирование наноструктур, в кн. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований, ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса, П. Аливасатоса, М. , МИР, 2002 г. , стр. 48-

Литература (продолжение) • А. И. Гусев, Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии, М. , Физматлит, 2005 г. , 416 стр. • 2. Н. П. Лякишев, Нанокристаллические структуры – новое направление развития конструкционных материалов, Вестник РАН, т. 73, № 5, 2003, с. 422 • Д. И. Рыжонков, В. В. Левина, Э. Л. Дзидзигури, Наноматериалы, М. , БИНОМ. Лаборатория знаний, 365 стр.

КОНЕЦ ЛЕКЦИИ