علم المواد وتكنولوجيا المواد النانوية للنظم النانوية. تقنية النانو وعلوم المواد والميكانيكا

موصى به للنشر من قبل معهد المعادن وعلوم المواد (IMET) im. أ. Baykov RAS (مختبر الكيمياء الفيزيائية وتكنولوجيا الطلاء - رئيس مختبر V.I. كاليتا ، دكتوراه في العلوم التقنية ، أستاذ) وجامعة سانت بطرسبرغ للهندسة والاقتصاد (قسم الهندسة والعلوم التقنية - رئيس القسم ف.كي فيديوكين ، دكتور في التقنية العلوم ، أستاذ ، عضو مراسل في الأكاديمية الدولية للتعليم العالي) كمساعدة تعليمية لطلاب الجامعات الذين يدرسون في مجالات التدريب التكنولوجية كجزء من دورة "التقنيات والمواد الحديثة للصناعات".

حصل على الرسم البياني UMO لـ PPO رقم 04-01 (تمت الموافقة عليه من قبل الجمعية التربوية والمنهجية للتعليم التربوي المهني كمساعد تعليمي لطلاب مؤسسات التعليم العالي).

يرتبط التقدم العلمي والتكنولوجي في مجال التقنيات العالية - في علوم المواد والإلكترونيات والميكانيكا الدقيقة والطب وغيرها من مجالات النشاط البشري بنتائج البحث الأساسي والتطبيقي والتصميم والاستخدام العملي للهياكل والمواد والأجهزة والعناصر منها ذات أبعاد في نطاق النانومتر (1 نانومتر = 10-9 م) ، وتطوير تقنيات لتصنيعها (تكنولوجيا النانو) وطرق التشخيص. إن أغراض تقنية النانو في علم المواد هي مواد مشتتة وأفلام ومواد نانوكريستال.

الغرض من الدليل هو تعريف الطلاب والمتخصصين بالاتجاه الفعال الجديد في تطوير العلوم والتكنولوجيا في مجال المواد النانوية والتقنيات النانوية ، على وجه الخصوص ، توليف المواد الهيكلية النانوية ذات الخصائص الفريدة وأمثلة لاستخدامها في الصناعة .

يناقش الدليل الأسس النظرية والتكنولوجية ومشكلات وآفاق علم النانو وصناعة النانو. تم اقتراح تعريفات المفاهيم الأساسية لعلم النانو. يتم تنظيم البيانات الخاصة بالمواد النانوية والبنى النانوية ويتم تصنيفها. تم وصف طرق البحث وتصميم الهياكل النانوية. يتم تقديم تحليل لأساليب تخليق المواد ذات البنية النانوية وعدد من الأمثلة لتطبيقها في التقنيات التقليدية والجديدة في مختلف الصناعات. يتم النظر في ميزات التغييرات في الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والتكنولوجية للمواد النانوية الهيكلية والوظيفية.

تم تصميم الكتاب المدرسي لطلاب مؤسسات التعليم العالي الذين يدرسون في تخصصات مختلفة ، ويدرسون دورات في علوم المواد وتكنولوجيا المواد الإنشائية. قد يكون مفيدًا لطلاب الدراسات العليا والمتخصصين والباحثين الذين يتعاملون مع المواد النانوية والتقنيات النانوية.

هيكل البرنامج التعليمي:

مقدمة.

الفصل 1. أساسيات وجوانب تطوير علم المواد النانوية والتكنولوجيات النانوية.

الفصل 2. المواد النانوية والبنى النانوية.

الفصل الثالث: طرق دراسة وتصميم الهياكل النانوية.

الفصل الرابع: تقنيات الحصول على المواد ذات البنية النانوية وتصنيع المنتجات النانوية.

الفصل 5. الخواص الميكانيكية للمواد النانوية.

خاتمة.

قائمة ببليوغرافية.

قائمة المصطلحات.

الملحق: المعرض المتخصص لتقنيات النانو والمواد النانوية.

رابط ببليوغرافي

Zabelin S.F. ، Alymova M.I. علم المواد وتكنولوجيا المواد النانوية (TUTORIAL) // المجلة الدولية للتعليم التجريبي. - 2015. - رقم 1. - ص 65-66 ؛
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view؟id=6342 (تاريخ الوصول: 09/17/2019). نلفت انتباهكم إلى المجلات التي تصدرها دار النشر "أكاديمية التاريخ الطبيعي".

نموذج الأنابيب النانوية الكربونية

نهاية عام واحد وبداية العام التالي هو وقت خاص تزوره البشرية بالرغبة في تحليل الماضي والتفكير فيما ينتظرنا. وفي بداية العام الجديد ، نريد استعراض أهم 10 إنجازات في مجال تكنولوجيا النانو منذ بداية تطورها ، والمتعلقة بعلوم المواد.

هذه هي الطريقة التي بدأ بها جيه وود ، أحد محرريها ، نشره في عدد ما بعد العام الجديد من المواد اليوم ، متسائلاً عن الأحداث التي وقعت على مدار الخمسين عامًا الماضية والتي حددت الديناميكيات العالية اليوم في تطوير علم المواد. يحدد وود 10 أحداث (لا تشمل اكتشاف الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية هنا ، من الواضح ، كحدث أكثر أهمية للفيزيائيين منه لعلماء المواد).

في المقام الأول- "خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات" (خارطة طريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات - ITRS) ، ليست اكتشافًا علميًا ، ولكنها في الواقع وثيقة (مراجعة تحليلية) جمعتها مجموعة دولية كبيرة من الخبراء (في عام 1994 ، أكثر من 400 تقني شارك في تجميع الخريطة ، وفي عام 2007 أكثر من 1200 متخصص من الصناعة والمختبرات الوطنية والمؤسسات الأكاديمية). من خلال الجمع بين العلم والتكنولوجيا والاقتصاد ، تحدد الخريطة الأهداف التي يمكن تحقيقها في فترة زمنية معينة وأفضل الطرق لتحقيقها. التقرير النهائي (في عام 2007 يحتوي على 18 فصلاً و 1000 صفحة من النص) هو نتيجة إجماع بين غالبية الخبراء ، تم التوصل إليه بعد مناقشات مطولة. واجه منظمو البحث النانوي الروس مشكلة مماثلة عند اختيار هدف تطوير النانو. إنهم يحاولون في وقت قصير "جرد" ما "يحدث" بالفعل في روسيا ، ويدعون مجالس الخبراء التي تم إنشاؤها على عجل ، لإيجاد الاتجاه الأمثل لقناة التطوير. من الواضح أن الإلمام بمحتوى تقرير ITRS والخبرة في تنظيم هذه الدراسات سيكون مفيدًا.

أرز. 1. بحث عن أشباه الموصلات على أساس أنظمة النقل الدولية (ITRS)

المكان الثاني- الفحص المجهري النفقي - ليس من المستغرب ، لأن هذا الاختراع (1981) كان بمثابة دافع للبحث النانوي والتقنيات النانوية.

المكان الثالث- تأثير المقاومة المغناطيسية العملاقة في الهياكل متعددة الطبقات للمواد المغناطيسية وغير المغناطيسية (1988) ، والتي بناءً عليها تم إنشاء رؤوس القراءة للأقراص الصلبة ، والتي أصبحت الآن مجهزة بجميع أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

المركز الرابع- ليزر أشباه الموصلات ومصابيح LED على GaAs (يعود تاريخ التطوير الأول إلى عام 1962) ، والمكونات الرئيسية لأنظمة الاتصالات ، ومشغلات الأقراص المضغوطة وأقراص DVD ، وطابعات الليزر.

المركز الخامس- لا يشير مرة أخرى إلى اكتشاف علمي ، ولكن إلى حدث منظم جيدًا في عام 2000 لتعزيز البحث العلمي المتقدم الهائل - ما يسمى ب. مبادرة النانو الوطنية الأمريكية. يدين العلم الآن في جميع أنحاء العالم بالكثير لهواة هذه المبادرة - ثم الرئيس ب. كلينتون والدكتور إم. روكو (ميهايل سي روكو) من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية. في عام 2007 ، تجاوز التمويل العالمي لأبحاث النانو 12 مليار دولار أمريكي ، وتم إطلاق البرامج العلمية ذات الصلة في 60 (!) دولة في العالم. بالمناسبة ، فإن موقف بعض العلماء الروس غير الراضين عن "العاصفة الثلجية النانوية" [على سبيل المثال ، 2] غير مفهوم بعض الشيء ، لأن هذه العاصفة الثلجية هي التي أجبرت الحكومة الروسية على التحول أخيرًا إلى العلم.

أرز. 2. دراجة معززة بألياف النانو

المركز السادس- البلاستيك المقوى بألياف الكربون. لقد غيرت المواد المركبة - خفيفة الوزن وقوية - العديد من الصناعات: الطائرات ، وتكنولوجيا الفضاء ، والنقل ، والتعبئة والتغليف ، والمعدات الرياضية.

المركز السابع- مواد بطاريات الليثيوم أيون. من الصعب أن نتخيل أننا حتى وقت قريب كنا نفعل ذلك بدون أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. لم تكن هذه "الثورة المتنقلة" ممكنة بدون التحول من البطاريات القابلة لإعادة الشحن باستخدام الإلكتروليتات المائية إلى بطاريات أيونات الليثيوم الأكثر كثافة في استخدام الطاقة (الكاثود - LiCoO__2__ أو LiFeO__4__ ، الأنود - الكربون).

المركز الثامن- الأنابيب النانوية الكربونية (1991) ، وقد سبق اكتشافها ما لا يقل عن اكتشاف مثير في عام 1985 لـ C__60__ الفوليرين. اليوم ، الخصائص المدهشة والفريدة والواعدة للبنى النانوية الكربونية هي في قلب أهم المنشورات. ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من الأسئلة المتعلقة بأساليب تخليقها الشامل بخصائص موحدة ، وطرق تنقية ، وتقنيات لإدراجها في الأجهزة النانوية.

أرز. 3. المواد الخارقة التي تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي

المركز التاسع- مواد الطباعة الحجرية اللينة. تحتل عمليات الطباعة الحجرية مكانة مركزية في إنتاج الأجهزة والدوائر الإلكترونية الدقيقة ووسائط التخزين وغيرها من المنتجات ، ولا يوجد بديل في المستقبل القريب. تستخدم الطباعة الحجرية اللينة طابعًا مرنًا من بوليديميثيلوكسيسيلاني يمكن استخدامه عدة مرات. يمكن استخدام هذه الطريقة على ركائز مسطحة ومنحنية ومرنة بدقة تصل إلى 30 نانومتر يتم تحقيقها اليوم.

لعبت المواد دائمًا دورًا مهمًا في تطور الحضارة. يقول العلماء إن تاريخ البشرية يمكن وصفه بأنه تغيير في المواد المستخدمة. تمت تسمية عصور تاريخ الحضارة حسب المواد: العصور الحجرية والبرونزية والحديدية. ربما يسمى العصر الحالي بقرن المواد المركبة. في البلدان المتقدمة ، يتم تصنيف علم المواد من بين المجالات الثلاثة الأولى للمعرفة إلى جانب تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا الحيوية.

كل فرع من فروع التكنولوجيا ، أثناء تطوره ، يجعل المزيد والمزيد من الطلبات المتنوعة والعالية على المواد. على سبيل المثال ، يجب أن تكون المواد الهيكلية للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية ، بالإضافة إلى درجة الحرارة (درجات الحرارة العالية والمنخفضة جدًا) ومقاومة التدوير الحراري ، محكمًا في الفراغ المطلق ، ومقاومة الاهتزاز ، والتسارع العالي (عشرات الآلاف من المرات أكبر من التسارع الجاذبية) ، وقصف النيازك ، والتعرض المطول للبلازما ، والإشعاع ، وانعدام الوزن ، إلخ. يمكن فقط للمواد المركبة التي تتكون من عدة مكونات ذات خصائص مختلفة بشكل حاد أن تلبي هذه المتطلبات المتضاربة.

مركب متعدد الطبقات مع زيادة مقاومة الحرارة

مركب الألياف فائقة التوصيل

مواد مركبة مقواة بالتشتت مقاومة للاهتراء

إن تطوير تقنيات النانو (أحد أقسام علم المواد الحديثة) ، وفقًا لتوقعات معظم الخبراء ، سيحدد وجه القرن الحادي والعشرين. وهذا ما يؤكده منح أربع جوائز نوبل في الكيمياء والفيزياء على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية: لاكتشاف أشكال جديدة من الكربون - الفوليرين (1996) والجرافين (2010) ، للتطورات في مجال تكنولوجيا أشباه الموصلات والدوائر المتكاملة. (2000) ، أجهزة الاستشعار البصرية أشباه الموصلات (2009). تحتل روسيا المرتبة الثانية في العالم من حيث الاستثمار في تكنولوجيا النانو ، والثانية بعد الولايات المتحدة (في عام 2011 ، بلغت الاستثمارات حوالي 2 مليار دولار). يشهد العلم حاليًا طفرة حقيقية في المواد الجديدة. في هذا الصدد ، هناك طلب على علماء المواد في العديد من الصناعات: في الطاقة النووية ، والطب ، والنفط ، والسيارات ، والطيران ، والفضاء ، والدفاع ، وصناعات الطاقة ، وصناعة الرياضة النخبة ، ومعاهد البحوث ، والشركات المبتكرة التي تنتج منتجات كثيفة العلم.

أجزاء وتجميعات Sukhoi Superjet 100 مصنوعة من مواد مركبة

شاشات مرنة تعتمد على الجرافين

معدات رياضية حديثة مصنوعة من مواد مركبة

يشارك علماء المواد في التطوير والبحث وتعديل المواد ذات الطبيعة العضوية وغير العضوية لأغراض مختلفة ؛ عمليات إنتاجها وتشكيل هيكلها وتحويلها في مراحل الإنتاج والمعالجة والتشغيل ؛ قضايا موثوقية وكفاءة المواد ؛ محاكاة الكمبيوتر لسلوك الأجزاء والتجمعات تحت أنواع مختلفة من التحميل ؛ تقديم الدعم الفني لمختلف أقسام الإنتاج في الأمور المتعلقة بالمواد اللازمة لتصنيع الوحدات ومكونات المعدات ، والمشاركة في اختيار وتقييم الموردين المحتملين للشركة.

هناك طلب على خريجي قسم "علوم المواد" في VolgGTU للعمل في الشركات والمؤسسات الكبيرة: OJSC SUAL فرع من VgAZ-SUAL ، LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka ، OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye ، OJSC Volgogradneftemash ، مكتب JSC Central Design Bureau VMK Krasny Oktyabr و JSC Volga Pipe Plant و JSC TK Neftekhimgaz و JSC Expertise و LLC Volgogradnefteproekt و JSC Kaustik و LLC Konstanta-2 وغيرها الكثير.

يتم تدريب خريجي البكالوريوس والماجستير في إطار اتجاه "علوم المواد وتكنولوجيا المواد" في

الصفحة الرئيسية> المستند

وزارة التعليم والعلوم في الاتحاد الروسي

مؤسسة تعليمية حكومية

التعليم المهني العالي

"أكاديمية إيفانوفو الحكومية للمنسوجات"

قسم الفيزياء وتقنية النانو

		يوافق وكيل الجامعة للشؤون الأكاديمية في في ليوبيمتسيف "_____" ___________________ 2011

علم المواد من المواد النانوية والأنظمة النانوية

الكود واتجاه التحضير	152200 الهندسة النانوية

ملف التدريب	المواد النانوية

دورة ، رمز	العلوم الرياضية والطبيعية (ب.3.1-3 أ)

فصل دراسي

مؤهل (درجة) الخريج	أعزب

شكل الدراسة	وقت كامل

كلية	صناعة الأزياء

ايفانوفو 2011

نتيجة لدراسة تخصص "علم المواد للمواد النانوية وأنظمة النانو" ، يجب على الطلاب: أعرف: - خصائص وتطبيقات المسحوق النانوي ، والمواد الصلبة والسائلة والهلامية ذات البنية النانوية الفوليرين ، والعناصر والأشياء النانوية ، والنظم النانوية (الهياكل غير المتجانسة) ؛ أساسيات تقنيات النانو للحصول على المواد النانوية ؛ أساسيات تقنيات النانو للحصول على طبقات وطلاءات ذات بنية نانوية ومتدرجة وطبقات واقية ووظيفية ؛ أساسيات العمليات التكنولوجية لتركيب المواد المركبة ؛ يكون قادرا على: - اختيار الهياكل النانوية وطرق إنتاجها لتنفيذ الأجسام النانوية ذات الخصائص المحددة للمتطلبات المحددة لتحويل الإشارات الكهربائية والبصرية والمغناطيسية والحرارية والميكانيكية ؛ - استخدام المفاهيم والتعريفات الأساسية في تكوين معرفة متعمقة في مجال الهندسة النانوية ؛ - تحليل خصائص المنتجات النانوية والتكنولوجيات النانوية ؛ رسم مخططات للمعدات والأجهزة التكنولوجية لعمليات تكنولوجيا النانو. ملك: - مهارات في حل مشاكل تكوين المعرفة في مجال الهندسة النانوية. يوفر برنامج عمل الانضباط الأنواع التالية من العمل التربوي:

نوع العمل الدراسي	مجموع الساعات / الاعتمادات	رقم الفصل الدراسي
نوع العمل الدراسي	مجموع الساعات / الاعتمادات
أنشطة حجرة الدراسة (الإجمالي)
مشتمل:

فصول عملية (ندوات)
العمل المستقل (الإجمالي)
التحضير للفصول العملية (الندوات)
دراسة القضايا النظرية المطروحة للدراسة المستقلة
التحضير للاختبار
نوع الشهادة المتوسطة (اختبار ، امتحان)
إجمالي كثافة اليد العاملة: ساعات الاعتمادات

يشمل الانضباط الأقسام التالية:

تاريخ ظهور المواد النانوية ، وديناميكيات تطويرها وتنفيذها في الممارسة العملية.

المفاهيم الأساسية وتصنيف المواد ذات البنية النانوية.

ميزات الخصائص والأنواع الرئيسية للأنظمة النانوية.

العمليات التكنولوجية لإنتاج ومعالجة وتعديل المواد النانوية والمنتجات القائمة عليها.

رئيس القسم

أ. ايزجورودين

مدرس مطور

تأسس قسم تقنية النانو وعلوم المواد والميكانيكا في ديسمبر 2011 على أساس قسمين من معهد TSU للفيزياء والتكنولوجيا وله جذور تاريخية عميقة. في نشأة القسم كان علماء من الطراز العالمي ، أساتذة ماجستير. كريشتال ، ج. Lepin و E.A. Mamontov ، الذي قدم مساهمة كبيرة في علم علوم المواد الفيزيائية وخلق الأساس لقاعدة بحثية لعلوم المواد في الجامعة.

قسم "ميكانيكا" ؛ القسم الأساسي "المواد النانوية" (موسكو ، TsNIIchermet سميت باسم I.P. Bardin) ، المركز العلمي والتعليمي "علوم المواد الفيزيائية وتقنيات النانو" ؛

أكثر من 20 معملًا تعليميًا وبحثيًا حديثًا ومجهز تجهيزًا جيدًا للإلكترون والليزر ومجهر القوة الذرية والاختبارات الفيزيائية والميكانيكية وتحليل حيود الأشعة السينية وعلم المعادن والانبعاثات الصوتية ، وما إلى ذلك ، ثلاثة منها معتمدة في أنظمة Rostekhnadzor والمختبرات التحليلية (SAAL) ؛

المدرسة الدولية "علوم المواد الفيزيائية"

التعاون مع المدارس العلمية الروسية والأجنبية الرائدة ، بما في ذلك الجامعات في ألمانيا (فرايبرغ) واليابان (أوساكو وكيوتو) وأستراليا (ملبورن) ، إلخ.

يشارك جميع الطلاب الكبار في أعمال بحثية مثمرة ويصبحون سنويًا فائزين وحائزين على جوائز في مسابقات الأعمال العلمية ومشاريع الدبلومات. يعمل ما يقرب من 100 ٪ من خريجي القسم ، ويعمل 80 ٪ منهم في تخصصهم في مركز الأبحاث وقسم الاختبارات المعملية في PJSC AVTOVAZ ، ومختبرات مركز Samara الإقليمي للابتكار والتكنولوجيا ، وكذلك في المنظمات المتخصصة.

رئيس القسم بالوكالة

أستاذ دكتور في العلوم التقنية

كليفتسوفجينادي فسيفولودوفيتش

مجالات التدريب

الجامعية:
- 22.03.01 علم المواد وتكنولوجيا المواد (ملف تعريف "المواد والتقنيات الحديثة لإنتاجها")

ماجيستير:
- 22.04.01 علم المواد وتكنولوجيا المواد

(ملف تعريف "هندسة المواد المتقدمة وتشخيصات سلوك المواد في المنتجات")

الدكتوراه:
- 03.06.01 الفيزياء وعلم الفلك

(ملف تعريف "فيزياء المادة المكثفة")

- 22.06.01 تكنولوجيا المواد (ملف تعريف "علم المعادن والمعالجة الحرارية للمعادن والسبائك")

أهداف البرنامج التعليمي 22.04.01 علوم وتكنولوجيا المواد (هندسة المواد المتقدمة وتشخيصات سلوك المواد في المنتجات):

ج 1. إعداد خريج للعمل البحثي في مجال علوم المواد الحديثة.

C2. إعداد خريج لابتكار مواد جديدة ، ودراسة خصائصها ، وتطوير التكنولوجيا لإنتاجها.

ج 3. اعداد خريج لتصميم المواد بالخصائص المرغوبة.

ج 4. إعداد خريج للأنشطة الإنتاجية والتكنولوجية ، مما يضمن إدخال عمليات التطوير الجديدة عالية التقنية المطلوبة على المستوى العالمي.

التخصصات

يقوم مدرسو قسم "تقنية النانو وعلوم المواد والميكانيكا" بإجراء فصول دراسية في التخصصات التالية:

- ميكانيكا نظرية.

- قوة المواد؛

- نظرية الآلات والآليات.

- أجزاء الآلة.

- علم المواد؛

- تكنولوجيا المواد الإنشائية.

- تقنيات النانو في الإنتاج والبيئة.

- القواعد الفيزيائية والكيميائية لتقنيات النانو ؛

- علم المواد من المواد النانوية والأنظمة النانوية.

- فيزياء الحالة المكثفة.

- توازن الطور وتشكيل الهيكل ؛

- علم المواد الفيزيائية.

- قوة السبائك والمركبات.

- التقنيات والمواد الجديدة.

- طرق تقسية المواد الإنشائية.

- طرق البحث غير المدمرة ، إلخ.