Nanotehnologija, znanost o materijalima i mehanika. Nanotehnologija i zanimljiv razvoj Znanost o materijalima nanomaterijala i nanosustava

ODOBRIO SAM

Prorektor za nastavu

V.V. Lyubimtsev

"_____"______2011

Znanost o materijalima nanomaterijala i nanosustava

Šifra, smjer obuke

152200 Nanoinženjering

Profil treninga

Nanomaterijali

Petlja, kod

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

Semestar(i)

Diplomirana kvalifikacija (diploma)

neženja

Oblik studija

puno vrijeme

Fakultet

modna industrija

Vrsta odgojno-obrazovnog rada

Ukupno sati/krediti

Broj semestra

Sati u učionici (ukupno)

Uključujući:

Vježbe (seminari)

Samostalni rad (ukupno)

Pripreme za praktičnu nastavu (seminare)

Proučavanje teorijskih pitanja predanih na samostalan studij

Priprema za test

Vrsta srednjeg certifikata (test, ispit)

Ukupni intenzitet rada: sati

kreditne jedinice

A.K. Izgorodin

Preporučeno za objavljivanje Instituta za metalurgiju i znanost o materijalima (IMET) naz. A.A. Baikov RAS (laboratorij za fizičku kemiju i tehnologiju premaza - voditelj laboratorija V.I. Kalita, doktor tehničkih znanosti, profesor) i Sveučilište za inženjerstvo i ekonomiju u Sankt Peterburgu (odjel za inženjerstvo i tehničke znanosti - voditelj odjela V.K. Fedjukin, doktor tehničkih znanosti, profesor, dopisni član Međunarodne akademije za visoko obrazovanje) kao udžbenik za studente sveučilišta koji studiraju u tehnološkim područjima izobrazbe u sklopu kolegija „Suvremene tehnologije i materijali u industrijskim sektorima“.

Dobio UMO žig za PPO br. 04-01 (Odobreno od Nastavno-metodičke zajednice za strukovno pedagoško obrazovanje kao nastavno sredstvo za studente 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 praktične uporabe konstrukcija, materijala i uređaja, elemenata od kojih imaju dimenzije u nanometarskom području (1 nm = 10-9m), te razvoj tehnologija za njihovu proizvodnju (nanotehnologije) i dijagnostičkih metoda. Objekti nanotehnologije u znanosti o materijalima su disperzni materijali, filmovi i nanokristalni materijali.

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

U priručniku se ispituju teorijske i tehnološke osnove, problemi i perspektive nanoznanosti i nanoindustrije. Predložene su definicije temeljnih pojmova nanoznanosti. Sistematizirani su podaci o nanomaterijalima i nanostrukturama te je dana njihova klasifikacija. Opisane su metode istraživanja i konstruiranja nanostruktura. Dana je analiza metoda za sintezu nanostrukturnih materijala i niz primjera njihove primjene u tradicionalnim i novim tehnologijama u različitim 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, studiraju predmete iz znanosti o materijalima i tehnologije konstrukcijskih materijala. Može biti od koristi studentima diplomskih studija, stručnjacima i istraživačima koji se bave problematikom nanomaterijala i nanotehnologija.

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 nanostrukturnih materijala i proizvodnju nanoproizvoda.

Poglavlje 5. Mehanička svojstva nanomaterijala.

Zaključak.

Bibliografski popis.

Popis pojmova.

Dodatak: Specijalizirana izložba nanotehnologija i nanomaterijala.

Bibliografska poveznica

Odjel za nanotehnologiju, znanost o materijalima i mehaniku nastao je u prosincu 2011. godine na temelju dvaju odjela Fizičko-tehnološkog instituta TSU i ima duboke povijesne korijene. Počeci katedre bili su svjetski znanstvenici, profesori M.A. Crystal, G.F. Lepin i E.A. Mamontov, koji je dao veliki doprinos znanosti o fizičkim materijalima i stvorio temelje istraživačke baze znanosti o materijalima na sveučilištu.

Odjeljak "Mehanika"; osnovni odjel "Nanomaterijali" (Moskva, Središnji istraživački institut Chermet nazvan I.P. Bardin), znanstveni i obrazovni centar "Fizička znanost o materijalima i nanotehnologija";

Više od 20 modernih, dobro opremljenih obrazovnih i istraživačkih laboratorija za elektroničku, lasersku, atomsku mikroskopiju, fizikalna i mehanička ispitivanja, analizu rendgenske difrakcije, metalografiju i akustičnu emisiju itd., od kojih su tri akreditirana u sustavima Rostechnadzora i analitički laboratoriji (SAAL);

Međunarodna škola "Physical Materials Science"

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

Svi studenti viših godina bave se plodnim istraživačkim radom i svake godine postaju pobjednici i laureati natjecanja 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 Samarskog regionalnog centra za inovacije i tehnologiju, kao iu stručnim organizacijama.

V. d. pročelnika Odjela

profesor, doktor tehničkih znanosti

KlevcovGenadij Vsevolodovič

Područja obuke

Prvostupnička diploma:
– 22.03.01. Znanost o materijalima i tehnologija materijala (profil “Suvremeni materijali i tehnologije za njihovu proizvodnju”)

Magisterij:
– 22.04.01. Znanost o materijalima i tehnologija materijala

(profil “Inženjerstvo naprednih materijala i dijagnostika ponašanja materijala u proizvodima”)

Poslijediplomski studij:
– 03.06.01 Fizika i astronomija

(profil “Fizika kondenzirane tvari”)

– 06.22.01 Tehnologije materijala (profil “Metalologija i toplinska obrada metala i legura”)

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

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

Ts2. Priprema diplomanata za stvaranje novih materijala, proučavanje njihovih svojstava i razvoj tehnologije za njihovu proizvodnju.

C3. Priprema maturanata za projektiranje materijala sa zadanim svojstvima.

C 4. Priprema diplomanata za proizvodno-tehnološke aktivnosti koje osiguravaju implementaciju novih visokotehnoloških dostignuća koja su tražena na globalnoj razini.

Discipline

Nastavnici odjela “Nanotehnologije, znanost o materijalima i mehanika” izvode nastavu iz sljedećih disciplina:

– Teorijska mehanika;

– Čvrstoća materijala;

– Teorija strojeva i mehanizama;

- dijelovi strojeva;

- Znanost o materijalima;

– Tehnologija konstrukcijskih materijala;

– Nanotehnologije u proizvodnji i ekologiji;

– Fizikalno-kemijske osnove nanotehnologije;

– Znanost o materijalima nanomaterijala i nanosustava;

– Fizika kondenzirane tvari;

– Fazne ravnoteže i formiranje strukture;

– Znanost o fizičkim materijalima;

– Čvrstoća legura i kompozita;

– Nove tehnologije i materijali;

– Metode ojačanja konstrukcijskih materijala;

– Nedestruktivne metode istraživanja i dr.

Materijali su oduvijek igrali vitalnu ulogu u razvoju civilizacije. Znanstvenici kažu da se ljudska povijest može opisati kao promjena u korištenim materijalima. Razdoblja povijesti civilizacije nazvana su prema materijalu: kameno, brončano i željezno doba. Možda će se sadašnja era nazvati stoljećem kompozitnih materijala. U razvijenim zemljama znanost o materijalima svrstana je među tri prioritetna 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 temperaturne (visoke i ultraniske temperature) i toplinske cikličke otpornosti, moraju imati nepropusnost u uvjetima apsolutnog vakuuma, otpornost na vibracije, velika ubrzanja (desetke tisuća puta veća od ubrzanje gravitacije), bombardiranje meteorita, produljena izloženost plazmi, zračenje, bestežinsko stanje itd. Samo kompozitni materijali koji se sastoje od nekoliko komponenata s izrazito različitim svojstvima mogu zadovoljiti tako proturječne zahtjeve.

Slojeviti intermetalni kompozit s povećanom otpornošću na toplinu

Vlaknasti kompozit sa supravodljivošću

Kompozitni materijal otporan na habanje ojačan disperzijom

Razvoj nanotehnologije (jedna od grana moderne znanosti o materijalima), prema predviđanjima većine stručnjaka, odredit će oblik 21. stoljeća. Potvrđuje to i dodjela četiriju Nobelovih nagrada iz područja kemije i fizike u proteklih 15 godina: za otkriće novih oblika ugljika - fulerena (1996.) i grafena (2010.), za razvoj na području tehnologije poluvodiča. i integrirani sklopovi (2000.), optički poluvodički senzori (2009.). Rusija je na drugom mjestu u svijetu po ulaganjima u nanotehnologiju, iza SAD-a (2011. godine ulaganja su iznosila oko 2 milijarde dolara). Trenutno znanost doživljava pravi procvat novih materijala. U tom smislu, znanstvenici za materijale su traženi u mnogim industrijama: nuklearna energija, medicina, proizvodnja nafte, automobilska industrija, zrakoplovstvo, svemir, obrana, energetska industrija, elitna sportska industrija, istraživački instituti, inovativne tvrtke koje proizvode visokotehnološke proizvode.

Dijelovi i komponente zrakoplova 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 modificiranjem materijala organske i anorganske prirode za različite namjene; procesi njihove proizvodnje, formiranje strukture, transformacija u fazama proizvodnje, prerade i rada; pitanja pouzdanosti i učinkovitosti materijala; računalno modeliranje ponašanja dijelova i sklopova pri različitim vrstama opterećenja; pruža tehničku podršku različitim proizvodnim odjelima po pitanju materijala za izradu jedinica i komponenti opreme te sudjeluje u odabiru i ocjeni potencijalnih dobavljača tvrtke.

Diplomanti smjera “Znanost o materijalima” Državnog tehničkog sveučilišta u Volgogradu su traženi i rade u velikim tvrtkama i poduzećima: JSC SUAL grana VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, JSC VNIKTIneftekhimoborudovanie, JSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau Titan, JSC Neftezavodmontazh ", JSC VMK "Red October", JSC "Volzhsky Pipe Plant", JSC "TK "Neftekhimgaz", JSC "Expertiza", LLC "Volgogradnefteproekt", JSC "Kaustik", LLC "Konstanta-2" i mnogi drugi.

Priprema ovlaštenih prvostupnika i magistara provodi se u okviru smjera “Znanost o materijalima i tehnologija materijala” na

Model ugljikovih nanocijevi

Kraj jedne i početak sljedeće godine posebno je vrijeme kada čovječanstvo pohodi želja za analizom prošlosti i razmišljanjem o onome što ga čeka. A na početku nove godine želimo napraviti pregled 10 najvažnijih dostignuća u nanotehnologiji od početka njezinog razvoja vezanog uz znanost o materijalima.

Ovako započinje svoju objavu J. Wood, jedan od njegovih urednika u postnovogodišnjem broju časopisa Materials Today, postavljajući pitanje koji su događaji u posljednjih 50 godina odredili današnju visoku dinamiku razvoja znanosti o materijalima. Wood identificira 10 događaja (ne uključujući otkriće visokotemperaturne supravodljivosti, što je očito događaj od većeg značaja 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 u izradi je sudjelovalo više od 400 tehnologa). Karta, a 2007. godine - već više od 1200 stručnjaka iz industrije, iz nacionalnih laboratorija i akademskih organizacija). Kombinirajući znanost, tehnologiju i ekonomiju, Karta postavlja ciljeve koji su ostvarivi u određenom vremenskom razdoblju i najbolje putove za njihovo postizanje. Završno izvješće (2007. sadržavalo je 18 poglavlja i 1000 stranica teksta) rezultat je konsenzusa većine stručnjaka, postignutog nakon dugotrajnih rasprava. Ruski organizatori nanoistraživanja suočili su se sa sličnim problemom pri odabiru cilja nanorazvoja. Pokušavaju u kratkom vremenu “popisati” ono što u Rusiji već “nano postoji” i, pozivajući se na žurno stvorena stručna vijeća, pronaći optimalan smjer razvoja. Poznavanje sadržaja ITRS izvješća i iskustvo u organiziranju ovih studija očito bi bilo od pomoći.

Riža. 1. Istraživanje poluvodiča temeljeno na ITRS-u

Drugo mjesto– skenirajuća tunelska mikroskopija – ne čudi, jer je upravo taj izum (1981.) poslužio kao poticaj nanoistraživanjima i nanotehnologiji.

Treće mjesto– efekt golemog magnetskog otpora u višeslojnim strukturama od magnetskih i nemagnetskih materijala (1988.) na njegovoj osnovi stvorene su glave za čitanje tvrdih diskova kojima su danas opremljena sva osobna računala.

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

Peto mjesto– opet se ne odnosi na znanstveno otkriće, već na kompetentno organiziran događaj 2000. godine za promicanje masovnog obećavajućeg znanstvenog istraživanja – tzv. "Nacionalna nanotehnološka inicijativa" SAD. Znanost diljem svijeta sada mnogo duguje entuzijastima ove inicijative - tadašnjem predsjedniku B. Clintonu i dr. M. Rocou iz američke Nacionalne zaklade za znanost. Globalni obujam financiranja nanoistraživanja u 2007. premašio je 12 milijardi dolara Odgovarajući znanstveni programi pokrenuti su u 60 (!) zemalja svijeta. Inače, malo je nejasan stav nekih ruskih znanstvenika koji su nezadovoljni “nanomećavom” [na primjer, 2], jer je upravo ta mećava natjerala rusku vladu da se konačno okrene znanosti.

Riža. 2. Bicikl ojačan nanovlaknima

Šesto mjesto– plastika ojačana karbonskim vlaknima. Kompozitni materijali - lagani i čvrsti - transformirali su mnoge industrije: proizvodnju zrakoplova, svemirsku tehnologiju, transport, materijale za pakiranje, sportsku opremu.

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

Osmo mjesto– ugljikove nanocijevi (1991.), njihovom otkriću prethodilo je ništa manje senzacionalno otkriće C__60__ fulerena 1985. godine. Danas su nevjerojatna, jedinstvena i obećavajuća svojstva ugljikovih nanostruktura u središtu najvrućih publikacija. Međutim, još uvijek postoje mnoga pitanja u vezi s 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 meku tiskanu litografiju. Litografski procesi ključni su za proizvodnju današnjih mikroelektroničkih uređaja i sklopova, medija za pohranu i drugih proizvoda, bez alternative u bliskoj budućnosti. Litografija mekog tiska koristi elastični pečat polidimetiloksisilana koji se može više puta koristiti. Metoda se može koristiti na ravnim, zakrivljenim i savitljivim podlogama s do sada postignutim rezolucijama do 30 nm.

Niste pronašli odgovor na svoje pitanje? Pogledajte ovdje

Rosguard Perm vojska

Nanotehnologija i zanimljiv razvoj Znanost o materijalima nanomaterijala i nanosustava

Analiza izravnih rezultata mjerenja