Znanost o materijalima i tehnologija nanomaterijala nanosustava. Nanotehnologija, znanost o materijalima i mehanika

Preporučeno za objavljivanje od strane Instituta za metalurgiju i znanost materijala (IMET) im. A.A. Baykov RAS (Laboratorij za fizičku hemiju i tehnologiju prevlačenja - voditelj laboratorija V.I. Kalita, doktor tehničkih znanosti, profesor) i Sveučilište za inženjerstvo i ekonomiju Sankt Peterburga (Odjel za inženjerstvo i tehničke znanosti - voditelj odjela V.K. Fedyukin, doktor tehničkih znanosti znanosti, profesor, dopisni član Međunarodne akademije visokog obrazovanja) kao nastavno pomagalo za sveučilišne studente koji studiraju u tehnološkim područjima izobrazbe u sklopu kolegija „Moderne tehnologije i materijali za industriju“.

Dobio Grafikon UMO za PPO br. 04-01 (odobren od Prosvjetno-metodičkog društva za strukovno pedagoško obrazovanje kao nastavno pomagalo studentima visokih učilišta).

Znanstveno-tehnološki napredak u području visokih tehnologija - u znanosti o materijalima, elektronici, mikromehanici, medicini i drugim područjima ljudske djelatnosti povezan je s rezultatima temeljnih i primijenjenih istraživanja, projektiranja i praktičnog korištenja konstrukcija, materijala i uređaja, elemenata od kojih imaju dimenzije u nanometarskom rasponu (1 nm = 10-9m), te razvoj tehnologija za njihovu izradu (nanotehnologija) i dijagnostičke metode. Objekti nanotehnologije u znanosti o materijalima su dispergirani materijali, filmovi i nanokristalni materijali.

Svrha priručnika je upoznati studente i stručnjake s novim učinkovitim smjerom u razvoju znanosti i tehnologije u području nanomaterijala i nanotehnologija, posebice sinteze nanokristalnih strukturnih materijala s jedinstvenim svojstvima i primjerima njihove uporabe u industriji. .

Priručnik razmatra teorijske i tehnološke osnove, probleme i perspektive nanoznanosti i nanoindustrije. Predlažu se definicije osnovnih pojmova nanoznanosti. Sistematizirani su podaci o nanomaterijalima i nanostrukturama te je data njihova klasifikacija. Opisane su metode istraživanja i dizajna nanostruktura. Daje se analiza metoda za sintezu nanostrukturiranih materijala te niz primjera njihove primjene u tradicionalnim i novim tehnologijama u raznim industrijama. Razmatraju se značajke promjena fizikalnih, mehaničkih i tehnoloških svojstava strukturnih i funkcionalnih nanomaterijala.

Udžbenik je namijenjen studentima visokoškolskih ustanova koji studiraju u različitim specijalnostima, koji studiraju predmete iz znanosti o materijalima i tehnologije konstrukcijskih materijala. Može biti korisno za diplomirane studente, stručnjake i istraživače koji se bave nanomaterijalima i nanotehnologijama.

Struktura tutorijala:

Uvod.

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

Poglavlje 2. Nanomaterijali i nanostrukture.

Poglavlje 3. Metode proučavanja i projektiranja nanostruktura.

Poglavlje 4. Tehnologije za dobivanje nanostrukturiranih materijala i proizvodnju nanoproizvoda.

Poglavlje 5. Mehanička svojstva nanomaterijala.

Zaključak.

Bibliografski popis.

Popis pojmova.

Prilog: Specijalizirana izložba nanotehnologija i nanomaterijala.

Bibliografska poveznica

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

Model ugljične nanocijevi

Kraj jedne godine i početak sljedeće posebno je vrijeme kada čovječanstvo posjećuje želja za analizom prošlosti i razmišljanjem o onome što je pred nama. I početkom nove godine želimo osvrnuti se na 10 najvažnijih dostignuća u nanotehnologiji od početka njihova razvoja, vezanih uz znanost o materijalima.

Ovako J.Wood, jedan od njegovih urednika, započinje svoju objavu u postnovogodišnjem broju Materials Today, pitajući se koji su događaji u proteklih 50 godina odredili današnju visoku dinamiku razvoja znanosti o materijalima. Wood identificira 10 događaja (ne uključujući otkriće visokotemperaturne supravodljivosti ovdje, očito, kao događaj značajniji za fizičare nego za znanstvenike materijala).

Na prvom mjestu– “International Technology Roadmap for Semiconductors” (ITRS), nije znanstveno otkriće, već, zapravo, dokument (analitički pregled) koji je sastavila velika međunarodna skupina stručnjaka (1994. godine više od 400 tehnologa je bilo uključeno u sastavljanje karte , a 2007. više od 1200 stručnjaka iz industrije, nacionalnih laboratorija i akademskih institucija). Kombinirajući znanost, tehnologiju i ekonomiju, Karta postavlja ciljeve koji se mogu postići u određenom vremenskom razdoblju i najbolje načine za njihovo postizanje. Završno izvješće (2007. godine sadrži 18 poglavlja i 1000 stranica teksta) rezultat je konsenzusa većine stručnjaka, postignutog nakon dugih rasprava. Ruski organizatori nanoistraživanja suočili su se sa sličnim problemom pri odabiru cilja nanorazvoja. Oni u kratkom roku pokušavaju "inventarirati" ono što se već "nanosi" Rusiji i, pozivajući na brzinu stvorena stručna vijeća, pronaći optimalan smjer kanala razvoja. Upoznavanje sa sadržajem izvještaja ITRS-a i iskustvom u organizaciji ovih studija očito bi bilo korisno.

Riža. 1. Istraživanje poluvodiča temeljeno na ITRS-u

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

Treće mjesto- učinak divovske magnetootpornosti u višeslojnim strukturama od magnetskih i nemagnetskih materijala (1988.), na temelju kojih su stvorene glave za čitanje tvrdih diskova kojima su danas opremljena sva osobna računala.

Četvrto mjesto- poluvodički laseri i LED diode na GaAs (prvi razvoj datira iz 1962. godine), glavne komponente telekomunikacijskih sustava, CD i DVD playeri, laserski pisači.

Peto mjesto- opet se ne odnosi na znanstveno otkriće, već na dobro organiziran događaj 2000. godine za promicanje masovnih naprednih znanstvenih istraživanja - tzv. Američka nacionalna inicijativa za nanotehnologiju. Znanost diljem svijeta sada mnogo duguje entuzijastima ove inicijative - tadašnjem predsjedniku B. Clintonu i dr. M. Roku (Mihail C. Roco) iz američke Nacionalne zaklade za znanost. U 2007. globalno financiranje nanoistraživanja premašilo je 12 milijardi dolara. Relevantni znanstveni programi pokrenuti su u 60 (!) zemalja svijeta. Inače, stav nekih ruskih znanstvenika koji su nezadovoljni “nanomećavom” [na primjer 2] je pomalo neshvatljiv, jer je upravo ta snježna oluja natjerala rusku vladu da se konačno okrene znanosti.

Riža. 2. Bicikl ojačan nanovlaknima

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

Sedmo mjesto– materijali za litij-ionske baterije. Teško je zamisliti da smo donedavno bili bez prijenosnih računala i mobitela. Ova "mobilna revolucija" ne bi bila moguća bez prijelaza s punjivih baterija koje koriste vodene elektrolite na energetski intenzivnije litij-ionske baterije (katoda - LiCoO__2__ ili LiFeO__4__, anoda - ugljik).

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

Riža. 3. Metamaterijal koji apsorbira elektromagnetsko zračenje

deveto mjesto– materijali za meko tiskanu litografiju. Litografski procesi zauzimaju središnje mjesto u proizvodnji današnjih mikroelektronskih uređaja i sklopova, medija za pohranu podataka i drugih proizvoda, a alternative u bliskoj budućnosti nema. Litografija mekog tiska koristi elastični polidimetiloksisilanski pečat koji se može koristiti više puta. Metoda se može koristiti na ravnim, zakrivljenim i fleksibilnim podlogama s rezolucijom do 30 nm koja je danas postignuta.

Materijali su oduvijek igrali važnu ulogu u razvoju civilizacije. Znanstvenici kažu da se povijest čovječanstva može opisati kao promjena u korištenim materijalima. Epohe povijesti civilizacije imenovane su prema materijalima: kameno, brončano i željezno doba. Možda će se sadašnja era nazvati stoljećem kompozitnih materijala. U razvijenim zemljama znanost o materijalima svrstana je među prva tri područja znanja uz informacijsku tehnologiju i biotehnologiju.

Svaka grana tehnologije, kako se razvija, postavlja sve raznovrsnije i visoke zahtjeve prema materijalima. Na primjer, konstrukcijski materijali za satelite i svemirske letjelice, osim temperature (visoke i ultra-niske temperature) i otpornosti na toplinski ciklus, moraju imati nepropusnost u apsolutnom vakuumu, otpornost na vibracije, velika ubrzanja (desetke tisuća puta veća od ubrzanja). gravitacije), bombardiranje meteoritom, dugotrajno izlaganje plazmi, zračenje, bestežinsko stanje itd. Samo kompozitni materijali koji se sastoje od nekoliko komponenti s izrazito različitim svojstvima mogu zadovoljiti takve sukobljene zahtjeve.

Slojeviti intermetalni kompozit s povećanom otpornošću na toplinu

Kompozit od supravodljivih vlakana

Kompozitni materijal otporan na habanje, ojačan disperzijom

Razvoj nanotehnologija (jedan od dionica moderne znanosti o materijalima), prema prognozama većine stručnjaka, odredit će lice 21. stoljeća. To potvrđuje dodjela četiri Nobelove nagrade za kemiju i fiziku u posljednjih 15 godina: za otkriće novih oblika ugljika - fulerena (1996.) i grafena (2010.), za razvoj u području tehnologije poluvodiča i integriranih sklopova (2000.), optički poluvodički senzori (2009.). Rusija je na drugom mjestu u svijetu po ulaganjima u nanotehnologiju, druga je samo za SAD (2011. ulaganja su iznosila oko 2 milijarde dolara). Trenutno znanost doživljava pravi procvat novih materijala. S tim u vezi, znanstvenici materijala traže se u mnogim industrijama: u nuklearnoj energiji, medicini, nafti, automobilskoj industriji, zrakoplovstvu, svemiru, obrambenoj, energetskoj industriji, elitnoj sportskoj industriji, istraživačkim institutima i inovativnim tvrtkama koje proizvode znanstveno intenzivni proizvodi.

Dijelovi i sklopovi Sukhoi Superjet 100 izrađeni od kompozitnih materijala

Fleksibilni zasloni na bazi grafena

Moderna sportska oprema izrađena od kompozitnih materijala

Znanstvenici za materijale bave se razvojem, istraživanjem i modifikacijom organskih i anorganskih materijala za različite namjene; procesi njihove proizvodnje, formiranje strukture, transformacija u fazama proizvodnje, obrade i rada; pitanja pouzdanosti i učinkovitosti materijala; računalna simulacija ponašanja dijelova i sklopova pri različitim vrstama opterećenja; pružati tehničku podršku različitim proizvodnim odjelima u pitanjima koja se odnose na materijale za izradu jedinica i komponenti opreme, sudjelovati u odabiru i ocjenjivanju potencijalnih dobavljača tvrtke.

Diplomci smjera "Znanost o materijalima" VolgGTU-a su traženi radeći u velikim tvrtkama i poduzećima: OJSC SUAL podružnica VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau JSC, JSC Central Design Bureau JSC Tif. VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 i mnogi drugi.

Osposobljavanje diplomiranih prvostupnika i magistara izvodi se u okviru smjera "Materijala i tehnologija materijala" na

Početna > Dokument

MINISTARSTVO OBRAZOVANJA I ZNANOSTI RUSKOG FEDERACIJE

Državna obrazovna ustanova

visokom stručnom obrazovanju

"Državna tekstilna akademija Ivanovo"

Zavod za fiziku i nanotehnologiju

		ODOBRITI prorektorica za nastavnu djelatnost V. V. Lyubimtsev "_____" ___________________ 2011

Znanost o materijalima nanomaterijala i nanosustava

Šifra, smjer pripreme	152200 Nanoinženjering

Trening profil	Nanomaterijali

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

Semestar(i)

Kvalifikacija (stupanj) diplomiranog	neženja

Oblik studija	puno vrijeme

Fakultet	modna industrija

Ivanovo 2011

Kao rezultat izučavanja discipline "Materijalna znanost nanomaterijala i nanosustava" studenti bi trebali: znati: - svojstva i primjena nanodisperznog praha, fuleren nanostrukturiranih čvrstih, tekućih i gelolikih materijala, nanodimenzionalnih elemenata i objekata, nanosustava (heterostrukture); osnove nanotehnologije za dobivanje nanomaterijala; osnove nanotehnologije za dobivanje nanostrukturnog i gradijentnog stvrdnjavanja, zaštitnih i funkcionalnih slojeva i premaza; osnove tehnoloških procesa za sintezu kompozitnih materijala; biti u mogućnosti: - odabrati nanostrukture i metode njihove proizvodnje za implementaciju nano-objekata zadanih karakteristika za specifične zahtjeve pretvorbe električnih, optičkih, magnetskih, toplinskih i mehaničkih signala; - koristiti osnovne pojmove i definicije u formiranju dubinskih znanja iz područja nanoinženjeringa; - analizirati značajke nanoproizvoda i nanotehnologija; izraditi sheme tehnološke opreme i uređaja za nanotehnološke procese. vlastiti: - vještine u rješavanju problema formiranja znanja iz područja nanoinženjeringa. Programom rada discipline predviđene su sljedeće vrste odgojno-obrazovnog 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)
Studij teorijske problematike predaje na samostalni studij
Priprema za test
Vrsta srednjeg certifikata (test, ispit)
Ukupni intenzitet rada: sati kreditne jedinice

Disciplina uključuje sljedeće sekcije:

Povijest nastanka nanomaterijala, dinamika njihovog razvoja i primjene u praksi.

Osnovni pojmovi i klasifikacija nanostrukturiranih materijala.

Značajke svojstava i glavne vrste nano-sustava.

Tehnološki procesi proizvodnje, obrade i modifikacije nanomaterijala i proizvoda na temelju njih.

voditelj Odjela

A.K. Izgorodin

Učitelj-razvojnik

Odjel za nanotehnologiju, znanost o materijalima i mehaniku osnovan je u prosincu 2011. godine na temelju dva odjela TSU Instituta za fiziku i tehnologiju i ima duboke povijesne korijene. U počecima odjela bili su znanstvenici svjetske klase, profesori M.A. Krishtal, G.F. Lepin i E.A. Mamontov, koji je dao ogroman doprinos znanosti fizičke znanosti o materijalima i stvorio temelj istraživačke baze za znanost o materijalima na sveučilištu.

Sekcija "Mehanika"; bazni odjel "Nanomaterijali" (Moskva, Središnji istraživački institut Chermet po imenu I.P. Bardina), znanstveno-obrazovni centar "Znanost o fizičkim materijalima i nanotehnologije";

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

Međunarodna škola "Znanost o fizičkim materijalima"

Suradnja s vodećim ruskim i stranim znanstvenim školama, uključujući sveučilišta u Njemačkoj (Freiberg), Japanu (Osako, Kyoto), Australiji (Melbourne) itd.

Svi studenti viših razreda sudjeluju u plodnom istraživačkom radu i svake godine postaju pobjednici i laureati natječaja znanstvenih radova i diplomskih projekata. Gotovo 100% diplomanata odjela je zaposleno, od kojih 80% radi u svojoj specijalnosti u istraživačkom centru i odjelu za laboratorijska ispitivanja PJSC AVTOVAZ, laboratorijima Regionalnog centra za inovacije i tehnologiju Samara, kao iu stručnim organizacijama.

v. d. voditelja odjela

profesor, doktor tehničkih znanosti

KlevcovGenadij Vsevolodovič

Područja obuke

preddiplomski:
- 22.03.01. Znanost o materijalima i tehnologija materijala (profil "Moderni materijali i tehnologije za njihovu proizvodnju")

Magisterij:
– 22.04.01. Znanost o materijalima i tehnologija materijala

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

dr.:
– 03.06.01 Fizika i astronomija

(profil "Fizika kondenzirane materije")

– 22.06.01 Tehnologija materijala (profil “Znanost o metalu i toplinska obrada metala i legura”)

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

C 1. Priprema diplomanta za istraživački rad u području suvremene znanosti o materijalima.

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

C3. Priprema diplomca za projektiranje materijala željenih svojstava.

C 4. Priprema diplomanata za proizvodno-tehnološke djelatnosti, čime se osigurava uvođenje u pogon novih visokotehnoloških dostignuća koja su tražena na svjetskoj razini.

Discipline

Nastavnici odjela "Nanotehnologija, znanost o materijalima i mehanika" izvode nastavu u sljedećim disciplinama:

– Teorijska mehanika;

– Čvrstoća materijala;

– Teorija strojeva i mehanizama;

- dijelovi strojeva;

- Znanost o materijalima;

– Tehnologija konstrukcijskih materijala;

– Nanotehnologije u proizvodnji i ekologiji;

– fizikalne i kemijske osnove nanotehnologija;

– Znanost o materijalima nanomaterijala i nanosustava;

– Fizika kondenziranog stanja;

– Fazne ravnoteže i formiranje strukture;

– fizikalna znanost o materijalima;

– Čvrstoća legura i kompozita;

– Nove tehnologije i materijali;

– Metode otvrdnjavanja konstrukcijskih materijala;

– Nedestruktivne metode istraživanja itd.