Nauka o materijalima i tehnologija nanomaterijala nanosistema. Nanotehnologija, nauka o materijalima i mehanika

Preporučeno za objavljivanje od strane Instituta za metalurgiju i materijale (IMET) im. AA. Baykov RAS (Laboratorija za fizičku hemiju i tehnologiju prevlake - šef laboratorije V.I. Kalita, doktor tehničkih nauka, profesor) i Sankt Peterburg Univerzitet za inženjerstvo i ekonomiju (Odeljenje inženjerskih i tehničkih nauka - šef odseka V.K. Fedyukin, doktor tehničkih nauka nauka, profesor, dopisni član Međunarodne akademije visokog obrazovanja) kao nastavno sredstvo za studente koji studiraju u tehnološkim oblastima obuke u okviru predmeta „Savremene tehnologije i materijali za industriju“.

Dobio UMO Grafik za PPO br. 04-01 (odobren od Prosvetno-metodičkog društva za stručno pedagoško obrazovanje kao nastavno sredstvo za studente visokoškolskih ustanova).

Naučno-tehnološki napredak u oblasti visokih tehnologija - u nauci o materijalima, elektronici, mikromehanici, medicini i drugim oblastima ljudske delatnosti povezan je sa rezultatima fundamentalnih i primenjenih istraživanja, projektovanjem i praktičnom upotrebom konstrukcija, materijala i uređaja, elemenata. od kojih imaju dimenzije u nanometarskom opsegu (1 nm = 10-9m), te razvoj tehnologija za njihovu proizvodnju (nanotehnologija) i dijagnostičke metode. Objekti nanotehnologije u nauci o materijalima su dispergovani materijali, filmovi i nanokristalni materijali.

Svrha priručnika je upoznati studente i specijaliste sa novim efikasnim pravcem razvoja nauke i tehnologije u oblasti nanomaterijala i nanotehnologija, posebno sinteze nanokristalnih strukturnih materijala sa jedinstvenim svojstvima i primerima njihove upotrebe u industriji. .

Priručnik razmatra teorijske i tehnološke osnove, probleme i perspektive nanonauke i nanoindustrije. Predložene su definicije osnovnih pojmova nanoznanosti. Sistematizovani su podaci o nanomaterijalima i nanostrukturama i data je njihova klasifikacija. Opisane su metode istraživanja i dizajna nanostruktura. Date su analize metoda za sintezu nanostrukturiranih materijala i niz primjera njihove primjene u tradicionalnim i novim tehnologijama u različitim industrijama. Razmatraju se karakteristike promjena fizičkih, mehaničkih i tehnoloških svojstava strukturnih i funkcionalnih nanomaterijala.

Udžbenik je namijenjen studentima visokoškolskih ustanova koji studiraju različite specijalnosti, izučavaju predmete iz nauke o materijalima i tehnologije konstrukcijskih materijala. Može biti korisno za diplomirane studente, specijaliste i istraživače koji se bave nanomaterijalima i nanotehnologijama.

Struktura tutorijala:

Uvod.

Poglavlje 1. Osnove i aspekti razvoja nauke o nanomaterijalima i nanotehnologijama.

Poglavlje 2. Nanomaterijali i nanostrukture.

Poglavlje 3. Metode proučavanja i projektovanja nanostruktura.

Poglavlje 4. Tehnologije za dobijanje nanostrukturnih materijala i proizvodnju nanoproizvoda.

Poglavlje 5. Mehanička svojstva nanomaterijala.

Zaključak.

Bibliografska lista.

Lista pojmova.

Dodatak: Specijalizovana izložba nanotehnologija i nanomaterijala.

Bibliografska veza

Zabelin S.F., Alymova M.I. ZNANOST MATERIJALA I TEHNOLOGIJA NANOSTRUKTURIRANIH MATERIJALA (TUTORIAL) // International Journal of Experimental Education. - 2015. - br. 1. - Str. 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (datum pristupa: 17.09.2019.). Predstavljamo Vam časopise koje izdaje izdavačka kuća "Academy of Natural History"

Model karbonske nanocijevi

Kraj jedne godine i početak sljedeće je posebno vrijeme kada čovječanstvo posjećuje želja da analizira prošlost i razmisli o onome što je pred nama. I početkom nove godine želimo da se osvrnemo na 10 najvažnijih dostignuća u nanotehnologiji od početka njihovog razvoja, vezanih za nauku o materijalima.

Ovako J.Wood, jedan od njegovih urednika, započinje svoje objavljivanje u postnovogodišnjem izdanju Materials Today, pitajući se koji su događaji u proteklih 50 godina odredili današnju visoku dinamiku razvoja nauke o materijalima. Wood identificira 10 događaja (ne uključujući ovdje otkriće visokotemperaturne supravodljivosti, očigledno, kao događaj značajniji za fizičare nego za naučnike o materijalima).

Na prvom mjestu- "International Technology Roadmap for Semiconductors" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), nije naučno otkriće, već, zapravo, dokument (analitički pregled) koji je sastavila velika međunarodna grupa stručnjaka (1994. godine više od 400 tehnologa bili uključeni u sastavljanje Mape, a 2007. godine više od 1200 stručnjaka iz industrije, nacionalnih laboratorija i akademskih institucija). Kombinujući nauku, tehnologiju i ekonomiju, Mapa postavlja ciljeve koji se mogu postići u datom vremenskom periodu i najbolje načine za njihovo postizanje. Konačni izvještaj (2007. godine sadrži 18 poglavlja i 1000 stranica teksta) rezultat je konsenzusa većine eksperata, postignutog nakon dugih diskusija. Ruski organizatori nanoistraživanja suočili su se sa sličnim problemom pri odabiru cilja nanorazvoja. Oni u kratkom roku pokušavaju da "inventarišu" ono što već "nanosi" Rusiji i da, pozivajući na brzinu stvorena stručna veća, pronađu optimalan pravac kanala razvoja. Upoznavanje sa sadržajem izvještaja ITRS-a i iskustvom organizovanja ovih studija očito bi bilo korisno.

Rice. 1. Istraživanje poluprovodnika na bazi ITRS

Drugo mjesto- skenirajuća tunelska mikroskopija - nije iznenađujuće, jer je upravo ovaj izum (1981.) poslužio kao poticaj za nanoistraživanje i nanotehnologije.

Treće mjesto- efekat džinovske magnetootpornosti u višeslojnim strukturama od magnetnih i nemagnetnih materijala (1988), na osnovu kojih su kreirane glave za čitanje tvrdih diskova, koji su danas opremljeni svim personalnim računarima.

Četvrto mjesto- poluprovodnički laseri i LED diode na GaAs (prvi razvoj datira iz 1962. godine), glavne komponente telekomunikacionih sistema, CD i DVD plejeri, laserski štampači.

Peto mesto- opet se ne odnosi na naučno otkriće, već na dobro organizovan događaj 2000. godine u cilju promocije masovnih naprednih naučnih istraživanja - tzv. Američka nacionalna inicijativa za nanotehnologiju. Nauka širom svijeta sada mnogo duguje entuzijastima ove inicijative - tadašnjem predsjedniku B. Clintonu i dr. M. Roku (Mihail C. Roco) iz američke Nacionalne naučne fondacije. U 2007. globalno finansiranje nanoistraživanja premašilo je 12 milijardi dolara Relevantni naučni programi su pokrenuti u 60 (!) zemalja svijeta. Inače, stav nekih ruskih naučnika koji su nezadovoljni „nanomećavom“ [na primjer 2] je pomalo neshvatljiv, jer je upravo ova snježna mećava natjerala rusku vladu da se konačno okrene nauci.

Rice. 2. Bicikl ojačan nano vlaknima

Šesto mjesto– plastike ojačane karbonskim vlaknima. Kompozitni materijali - lagani i jaki - transformisali su mnoge industrije: avione, svemirsku tehnologiju, transport, pakovanje, sportsku opremu.

Sedmo mjesto– materijali za litijum-jonske baterije. Teško je zamisliti da smo donedavno bili bez laptopa i mobilnih telefona. Ova "mobilna revolucija" ne bi bila moguća bez prelaska sa punjivih baterija koje koriste vodene elektrolite na energetski intenzivnije litijum-jonske baterije (katoda - LiCoO__2__ ili LiFeO__4__, anoda - ugljenik).

Osmo mjesto– ugljenične nanocevi (1991), njihovom otkriću prethodilo je ništa manje senzacionalno otkriće 1985. C__60__ fulerena. Danas su nevjerovatna, jedinstvena i obećavajuća svojstva ugljičnih nanostruktura u središtu najtoplijih publikacija. Međutim, još uvijek postoji mnogo pitanja u vezi s metodama njihove masovne sinteze s ujednačenim svojstvima, metodama pročišćavanja i tehnologijama za njihovo uključivanje u nanouređaje.

Rice. 3. Metamaterijal koji apsorbuje elektromagnetno zračenje

deveto mjesto– materijali za meku štampanu litografiju. Litografski procesi zauzimaju centralno mjesto u proizvodnji današnjih mikroelektronskih uređaja i kola, medija za pohranu podataka i drugih proizvoda i nema alternative u bliskoj budućnosti. Meka štampana litografija koristi elastični polidimetiloksisilanski pečat koji se može koristiti više puta. Metoda se može koristiti na ravnim, zakrivljenim i fleksibilnim podlogama sa rezolucijama do 30 nm koje se danas postižu.

Materijali su oduvijek igrali važnu ulogu u razvoju civilizacije. Naučnici kažu da se istorija čovečanstva može opisati kao promena u korišćenim materijalima. Epohe istorije civilizacije su imenovane prema materijalima: kameno, bronzano i gvozdeno doba. Možda će se sadašnja era nazvati stoljećem kompozitnih materijala. U razvijenim zemljama nauka o materijalima je rangirana među prve tri oblasti znanja zajedno sa informatičkom tehnologijom i biotehnologijom.

Svaka grana tehnologije, kako se razvija, postavlja sve raznovrsnije i visoke zahtjeve prema materijalima. Na primjer, konstrukcijski materijali za satelite i svemirske letjelice, pored temperature (visoke i ultra-niske temperature) i otpornosti na termički ciklus, moraju imati nepropusnost u apsolutnom vakuumu, otpornost na vibracije, velika ubrzanja (desetine hiljada puta veća od ubrzanja). gravitacije), bombardovanje meteoritom, produženo izlaganje plazmi, zračenje, bestežinsko stanje itd. Samo kompozitni materijali koji se sastoje od nekoliko komponenti sa oštro različitim svojstvima mogu zadovoljiti takve konfliktne zahtjeve.

Slojeviti intermetalni kompozit sa povećanom otpornošću na toplotu

Kompozit superprovodnih vlakana

Kompozitni materijal otporan na habanje ojačan disperzijom

Razvoj nanotehnologija (jedan od delova moderne nauke o materijalima), prema prognozama većine stručnjaka, odrediće lice 21. veka. To potvrđuje dodjela četiri Nobelove nagrade za hemiju i fiziku u proteklih 15 godina: za otkriće novih oblika ugljika - fulerena (1996) i grafena (2010), za razvoj u oblasti poluvodičke tehnologije i integriranih kola. (2000), optički poluvodički senzori (2009). Rusija je na drugom mjestu u svijetu po ulaganjima u nanotehnologiju, druga je samo u Sjedinjenim Državama (u 2011. godini investicije su iznosile oko 2 milijarde dolara). Trenutno, nauka doživljava pravi procvat novih materijala. S tim u vezi, znanstvenici o materijalima su traženi u mnogim industrijama: u nuklearnoj energiji, medicini, proizvodnji nafte, automobilskoj industriji, avijaciji, svemiru, odbrambenoj, energetskoj industriji, elitnoj sportskoj industriji, istraživačkim institutima i inovativnim kompanijama koje proizvode naučno-intenzivne proizvode.

Dijelovi i sklopovi Sukhoi Superjet 100 izrađeni od kompozitnih materijala

Fleksibilni displeji na bazi grafena

Moderna sportska oprema izrađena od kompozitnih materijala

Naučnici za materijale se bave razvojem, istraživanjem i modifikacijom organskih i neorganskih materijala za različite namene; procesi njihove proizvodnje, formiranja strukture, transformacije u fazama proizvodnje, prerade i rada; pitanja pouzdanosti i efikasnosti materijala; kompjuterska simulacija ponašanja dijelova i sklopova pod različitim vrstama opterećenja; pruža tehničku podršku različitim proizvodnim odeljenjima u pitanjima koja se odnose na materijale za izradu jedinica i komponenti opreme, učestvuju u izboru i evaluaciji potencijalnih dobavljača kompanije.

Diplomci smera „Nauka o materijalima“ VolgGTU-a su traženi radeći u velikim kompanijama i preduzećima: OJSC SUAL ogranak VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradnjeftemash, JSC Central Design Bureau JSC, JSC Neftehtan. VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Ekspertiza, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 i mnogi drugi.

Obuka sertifikovanih prvostupnika i magistara odvija se u okviru smera „Materijalna nauka i tehnologija materijala“ na

Početna > Dokument

MINISTARSTVO PROSVETE I NAUKE RUJSKE FEDERACIJE

Državna obrazovna ustanova

visoko stručno obrazovanje

"Državna tekstilna akademija Ivanovo"

Katedra za fiziku i nanotehnologiju

		ODOBRI prorektor za nastavne poslove V.V. Lyubimtsev "_____" ___________________ 2011

Nauka o materijalima nanomaterijala i nanosistema

Šifra, smjer pripreme	152200 Nanoinženjering

Trening Profil	Nanomaterijali

Ciklus, šifra	Matematičke i prirodne nauke (B.3.1-3a)

Semestar(i)

Kvalifikacija (stepen) diplomiranog	neženja

Forma studija	puno vrijeme

fakultet	modna industrija

Ivanovo 2011

Kao rezultat izučavanja discipline "Nauka o materijalima nanomaterijala i nanosistema", studenti treba da: znati: - svojstva i primjena nanodisperznog praha, fuleren nanostrukturiranih čvrstih, tekućih i gelolikih materijala, nanodimenzionalnih elemenata i objekata, nanosistema (heterostrukture); osnove nanotehnologije za dobijanje nanomaterijala; osnove nanotehnologije za dobijanje nanostrukturnog i gradijentnog očvršćavanja, zaštitnih i funkcionalnih slojeva i premaza; osnove tehnoloških procesa za sintezu kompozitnih materijala; biti u stanju: - odabir nanostruktura i metoda njihove proizvodnje za implementaciju nano-objekata sa specificiranim karakteristikama za specifične zahtjeve konverzije električnih, optičkih, magnetnih, termičkih i mehaničkih signala; - koristiti osnovne pojmove i definicije u formiranju dubinskih znanja iz oblasti nanoinženjeringa; - analizira karakteristike nanoproizvoda i nanotehnologija; izraditi dijagrame tehnološke opreme i uređaja za nanotehnološke procese. posjedovati: - vještine u rješavanju problema formiranja znanja iz oblasti nanoinženjeringa. Programom rada discipline predviđene su sljedeće vrste obrazovno-vaspitnog rada:

Vrsta studijskog rada	Ukupno sati / krediti	Broj semestra
Vrsta studijskog rada	Ukupno sati / krediti
Aktivnosti u učionici (ukupno)
Uključujući:

Praktična nastava (seminari)
Samostalni rad (ukupno)
Priprema za praktičnu nastavu (seminare)
Studija teorijskih pitanja predata na samostalnu studiju
Priprema za test
Vrsta srednjeg certifikata (test, ispit)
Ukupan intenzitet rada: sati krediti

Disciplina uključuje sljedeće sekcije:

Istorijat nastanka nanomaterijala, dinamika njihovog razvoja i implementacije u praksi.

Osnovni pojmovi i klasifikacija nanostrukturiranih materijala.

Osobine svojstava i glavni tipovi sistema nanorazmjera.

Tehnološki procesi proizvodnje, obrade i modifikacije nanomaterijala i proizvoda na njihovoj osnovi.

Šef odjeljenja

A.K. Izgorodin

Nastavnik-programer

Katedra za nanotehnologiju, nauku o materijalima i mehaniku osnovana je u decembru 2011. godine na bazi dva odsjeka TSU Instituta za fiziku i tehnologiju i ima duboke istorijske korijene. Na početku katedre bili su naučnici svjetske klase, profesori M.A. Krishtal, G.F. Lepin i E.A. Mamontov, koji je dao ogroman doprinos nauci fizičke nauke o materijalima i stvorio temelj istraživačke baze za nauku o materijalima na univerzitetu.

Sekcija "Mehanika"; bazni odjel "Nanomaterijali" (Moskva, TsNIIchermet po imenu I.P. Bardina), naučno-obrazovni centar "Nauka o fizičkim materijalima i nanotehnologije";

Više od 20 modernih, dobro opremljenih obrazovnih i istraživačkih laboratorija za elektronsku, lasersku, mikroskopiju atomske sile, fizička i mehanička ispitivanja, analizu difrakcije rendgenskih zraka, metalografiju i akustičnu emisiju, itd., od kojih su tri akreditovane u sistemima Rostekhnadzora i analitičke laboratorije (SAAL);

Međunarodna škola "Nauka o fizičkim materijalima"

Saradnja sa vodećim ruskim i stranim naučnim školama, uključujući univerzitete u Nemačkoj (Freiberg), Japanu (Osako, Kjoto), Australiji (Melburn) itd.

Svi studenti viših razreda se bave plodnim istraživačkim radom i svake godine postaju pobjednici i laureati konkursa naučnih radova i diplomskih projekata. Gotovo 100% diplomaca odseka je zaposleno, od kojih 80% radi po svojoj specijalnosti u istraživačkom centru i odeljenju za laboratorijska ispitivanja PJSC AVTOVAZ, laboratorijama Samarskog regionalnog centra za inovacije i tehnologije, kao iu stručnim organizacijama.

Vršilac dužnosti šefa odjeljenja

profesor, doktor tehničkih nauka

KlevtsovGenady Vsevolodovich

Oblasti obuke

dodiplomski:
- 22.03.01 Nauka o materijalima i tehnologija materijala (profil "Savremeni materijali i tehnologije za njihovu proizvodnju")

Magistarska diploma:
– 22.04.01 Nauka o materijalima i tehnologija materijala

(profil "Inženjering naprednih materijala i dijagnostika ponašanja materijala u proizvodima")

dr:
– 03.06.01 Fizika i astronomija

(profil "Fizika kondenzovane materije")

– 22.06.01 Tehnologija materijala (profil „Nauka o metalu i termička obrada metala i legura“)

Ciljevi obrazovnog programa 22.04.01 Nauka o materijalima i tehnologija (Inženjering naprednih materijala i dijagnostika ponašanja materijala u proizvodima):

C 1. Priprema diplomca za istraživački rad u oblasti savremenih nauka o materijalima.

C2. Priprema diplomaca za izradu novih materijala, proučavanje njihovih svojstava, razvoj tehnologije za njihovu proizvodnju.

C3. Priprema diplomca za projektovanje materijala sa željenim svojstvima.

C 4. Priprema diplomca za proizvodno-tehnološke djelatnosti, čime se osigurava uvođenje u rad novih visokotehnoloških dostignuća koja su tražena na svjetskom nivou.

Discipline

Nastavnici odsjeka "Nanotehnologija, nauke o materijalima i mehanika" izvode nastavu u sljedećim disciplinama:

– Teorijska mehanika;

– Čvrstoća materijala;

– Teorija mašina i mehanizama;

- Mašinski dijelovi;

- Nauka o materijalima;

– Tehnologija konstrukcijskih materijala;

– Nanotehnologije u proizvodnji i ekologiji;

– Fizičke i hemijske osnove nanotehnologija;

– Nauka o materijalima nanomaterijala i nanosistema;

– Fizika kondenzovanog stanja;

– Fazne ravnoteže i formiranje strukture;

– Nauka o fizičkim materijalima;

– Čvrstoća legura i kompozita;

– Nove tehnologije i materijali;

– Metode očvršćavanja konstruktivnih materijala;

– Nedestruktivne metode istraživanja itd.