Materiaalwetenschap en technologie van nanomaterialen van nanosystemen. Nanotechnologie, materiaalkunde en mechanica

Aanbevolen voor publicatie door het Institute of Metallurgy and Materials Science (IMET) im. AA Baykov RAS (Laboratorium voor Fysische Chemie en Coating Technologie - Hoofd van Laboratorium VI Kalita, Doctor in de Technische Wetenschappen, Professor) en St. Petersburg University of Engineering and Economics (Departement Ingenieurswetenschappen en Technische Wetenschappen - Afdelingshoofd V.K. Fedyukin, Doctor of Technical Wetenschappen, professor, corresponderend lid van de International Academy of Higher Education) als leerhulpmiddel voor universiteitsstudenten die technologische opleidingsgebieden volgen als onderdeel van de cursus "Moderne technologieën en materialen voor de industrie".

UMO-grafiek ontvangen voor PPO nr. 04-01 (goedgekeurd door de Educational and Methodological Association for Vocational Pedagogical Education als leerhulpmiddel voor studenten van instellingen voor hoger onderwijs).

Wetenschappelijke en technologische vooruitgang op het gebied van geavanceerde technologieën - in materiaalkunde, elektronica, micromechanica, geneeskunde en andere gebieden van menselijke activiteit wordt geassocieerd met de resultaten van fundamenteel en toegepast onderzoek, ontwerp en praktisch gebruik van structuren, materialen en apparaten, de elementen waarvan afmetingen in het nanometerbereik (1 nm = 10-9 m), en de ontwikkeling van technologieën voor de vervaardiging ervan (nanotechnologie) en diagnostische methoden. De objecten van nanotechnologie in de materiaalkunde zijn verspreide materialen, films en nanokristallijne materialen.

Het doel van de handleiding is om studenten en specialisten vertrouwd te maken met een nieuwe effectieve richting in de ontwikkeling van wetenschap en technologie op het gebied van nanomaterialen en nanotechnologieën, in het bijzonder de synthese van nanokristallijne structurele materialen met unieke eigenschappen en voorbeelden van hun gebruik in de industrie .

De handleiding gaat in op de theoretische en technologische grondslagen, problemen en vooruitzichten van nanowetenschap en nano-industrie. Definities van de basisconcepten van nanowetenschap worden voorgesteld. De gegevens over nanomaterialen en nanostructuren zijn gesystematiseerd en hun classificatie wordt gegeven. Methoden voor onderzoek en ontwerp van nanostructuren worden beschreven. Er wordt een analyse gegeven van methoden voor de synthese van nanogestructureerde materialen en een aantal voorbeelden van hun toepassing in traditionele en nieuwe technologieën in verschillende industrieën. De kenmerken van veranderingen in de fysieke, mechanische en technologische eigenschappen van structurele en functionele nanomaterialen worden overwogen.

Het leerboek is bedoeld voor studenten van instellingen voor hoger onderwijs die in verschillende specialiteiten studeren, cursussen volgen in materiaalkunde en technologie van structurele materialen. Het kan nuttig zijn voor afgestudeerde studenten, specialisten en onderzoekers die zich bezighouden met nanomaterialen en nanotechnologieën.

De opbouw van de tutorial:

Invoering.

Hoofdstuk 1. Grondbeginselen en aspecten van de ontwikkeling van de wetenschap van nanomaterialen en nanotechnologieën.

Hoofdstuk 2. Nanomaterialen en nanostructuren.

Hoofdstuk 3. Methoden voor het bestuderen en ontwerpen van nanostructuren.

Hoofdstuk 4. Technologieën voor het verkrijgen van nanogestructureerde materialen en het vervaardigen van nanoproducten.

Hoofdstuk 5. Mechanische eigenschappen van nanomaterialen.

Conclusie.

Bibliografische lijst.

Lijst met termen.

Bijlage: Gespecialiseerde tentoonstelling van nanotechnologieën en nanomaterialen.

Bibliografische link

Zabelin SF, Alymova M.I. MATERIAALWETENSCHAP EN TECHNOLOGIE VAN NANOSTRUCTUREERDE MATERIALEN (TUTORIAL) // International Journal of Experimental Education. - 2015. - Nr. 1. - P. 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (datum van toegang: 17-09-2019). Wij brengen onder uw aandacht de tijdschriften gepubliceerd door de uitgeverij "Academy of Natural History"

Model van koolstofnanobuisjes

Het einde van het ene jaar en het begin van het volgende is een speciale tijd waarin de mensheid wordt bezocht door het verlangen om het verleden te analyseren en na te denken over wat ons te wachten staat. En aan het begin van het nieuwe jaar willen we terugblikken op de 10 belangrijkste ontwikkelingen in nanotechnologie sinds het begin van hun ontwikkeling, gerelateerd aan materiaalwetenschap.

Dit is hoe J.Wood, een van de redacteuren, zijn publicatie begint in het post-Nieuwjaarsnummer van Materials Today, zich afvragend welke gebeurtenissen van de afgelopen 50 jaar de huidige hoge dynamiek in de ontwikkeling van materiaalwetenschap hebben bepaald. Wood identificeert 10 gebeurtenissen (exclusief de ontdekking van supergeleiding bij hoge temperaturen hier, uiteraard als een gebeurtenis die belangrijker is voor natuurkundigen dan voor materiaalwetenschappers).

In de eerste plaats- "International Technology Roadmap for Semiconductors" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), geen wetenschappelijke ontdekking, maar in feite een document (analytische review) opgesteld door een grote internationale groep van deskundigen (in 1994 meer dan 400 technologen betrokken waren bij het samenstellen van de kaart, en in 2007 meer dan 1200 specialisten uit de industrie, nationale laboratoria en academische instellingen). De kaart combineert wetenschap, technologie en economie en beschrijft doelen die in een bepaalde periode kunnen worden bereikt en de beste manieren om deze te bereiken. Het eindrapport (in 2007 bevat het 18 hoofdstukken en 1000 pagina's tekst) is het resultaat van een consensus onder de meerderheid van de experts, bereikt na langdurige discussies. Russische organisatoren van nanoonderzoek stonden voor een soortgelijk probleem bij het kiezen van het doel van nanoontwikkeling. Ze proberen in korte tijd te "inventariseren" wat er al "veroorzaakt" in Rusland en, een beroep doend op de haastig opgerichte deskundigenraden, om de optimale richting van het ontwikkelingskanaal te vinden. Bekendheid met de inhoud van het ITRS-rapport en de ervaring met het organiseren van deze onderzoeken zou uiteraard nuttig zijn.

Rijst. 1. Halfgeleideronderzoek op basis van ITRS

Tweede plaats- scanning tunneling microscopie - is niet verwonderlijk, want het was deze uitvinding (1981) die als aanzet diende voor nanoonderzoek en nanotechnologieën.

Derde plaats- het effect van gigantische magnetoweerstand in meerlaagse structuren van magnetische en niet-magnetische materialen (1988), op basis waarvan leeskoppen voor harde schijven zijn gemaakt, die nu zijn uitgerust met alle personal computers.

Vierde plaats- halfgeleiderlasers en LED's op GaAs (de eerste ontwikkeling dateert van 1962), de belangrijkste componenten van telecommunicatiesystemen, cd- en dvd-spelers, laserprinters.

vijfde plaats- verwijst opnieuw niet naar een wetenschappelijke ontdekking, maar naar een goed georganiseerd evenement in 2000 om massaal geavanceerd wetenschappelijk onderzoek te promoten - de zogenaamde. Amerikaans Nationaal Nanotechnologie-initiatief. De wetenschap over de hele wereld heeft nu veel te danken aan de enthousiastelingen van dit initiatief - destijds president B. Clinton en Dr. M. Roko (Mihail C. Roco) van de Amerikaanse National Science Foundation. In 2007 bedroeg de wereldwijde financiering voor nanoonderzoek meer dan $ 12 miljard. Er zijn relevante wetenschappelijke programma's gelanceerd in 60 (!) landen van de wereld. Trouwens, de positie van sommige Russische wetenschappers die ontevreden zijn over de "nanoblizzard" [bijvoorbeeld 2] is een beetje onbegrijpelijk, omdat het deze sneeuwstorm was die de Russische regering dwong om zich eindelijk tot de wetenschap te wenden.

Rijst. 2. Fiets versterkt met nanovezels

zesde plaats– kunststoffen versterkt met koolstofvezels. Composietmaterialen - lichtgewicht en sterk - hebben veel industrieën getransformeerd: vliegtuigen, ruimtetechnologie, transport, verpakking, sportuitrusting.

zevende plaats– materialen voor lithium-ionbatterijen. Het is moeilijk voor te stellen dat we tot voor kort zonder laptops en mobiele telefoons moesten. Deze "mobiele revolutie" zou niet mogelijk zijn geweest zonder de overgang van oplaadbare batterijen met waterige elektrolyten naar meer energie-intensieve lithium-ionbatterijen (kathode - LiCoO__2__ of LiFeO__4__, anode - koolstof).

achtste plaats– koolstofnanobuisjes (1991), werd hun ontdekking voorafgegaan door niet minder sensationele ontdekking in 1985 van C__60__ fullerenen. Tegenwoordig staan de verbazingwekkende, unieke en veelbelovende eigenschappen van koolstofnanostructuren centraal in de populairste publicaties. Er zijn echter nog veel vragen over de methoden van hun massasynthese met uniforme eigenschappen, zuiveringsmethoden en technologieën voor hun opname in nanodevices.

Rijst. 3. Metamateriaal dat elektromagnetische straling absorbeert

negende plaats– materialen voor zacht gedrukte lithografie. Lithografische processen nemen een centrale plaats in bij de productie van de huidige micro-elektronische apparaten en circuits, opslagmedia en andere producten, en er is in de nabije toekomst geen alternatief. Zacht gedrukte lithografie maakt gebruik van een veerkrachtige polydimethyloxysilaan stempel die meerdere keren kan worden gebruikt. De methode kan worden gebruikt op vlakke, gebogen en flexibele substraten met een resolutie tot 30 nm die tegenwoordig wordt bereikt.

Materialen hebben altijd een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van de beschaving. Wetenschappers zeggen dat de geschiedenis van de mensheid kan worden beschreven als een verandering in de gebruikte materialen. De tijdperken van de geschiedenis van de beschaving werden genoemd naar de materialen: steen-, brons- en ijzertijd. Misschien wordt het huidige tijdperk de eeuw van composietmaterialen genoemd. In ontwikkelde landen behoort materiaalkunde samen met informatietechnologie en biotechnologie tot de top drie van kennisgebieden.

Elke tak van technologie stelt, naarmate deze zich ontwikkelt, steeds diversere en hogere eisen aan materialen. Structurele materialen voor satellieten en ruimtevaartuigen moeten bijvoorbeeld, naast temperatuur (hoge en ultra-lage temperaturen) en thermische cyclische weerstand, dichtheid hebben in absoluut vacuüm, weerstand tegen trillingen, hoge versnellingen (tienduizenden keren groter dan de versnelling zwaartekracht), meteorietbombardement, langdurige blootstelling aan plasma, straling, gewichtloosheid, enz. Alleen composietmaterialen bestaande uit meerdere componenten met sterk verschillende eigenschappen kunnen aan dergelijke tegenstrijdige eisen voldoen.

Gelaagd intermetallisch composiet met verhoogde hittebestendigheid

Supergeleidende vezelcomposiet

Slijtvast dispersieversterkt composietmateriaal

De ontwikkeling van nanotechnologieën (een van de secties van de moderne materiaalwetenschap), zal volgens de voorspellingen van de meeste experts het gezicht van de 21e eeuw bepalen. Dit wordt bevestigd door de toekenning van vier Nobelprijzen voor scheikunde en natuurkunde in de afgelopen 15 jaar: voor de ontdekking van nieuwe vormen van koolstof - fullerenen (1996) en grafeen (2010), voor ontwikkelingen op het gebied van halfgeleidertechnologie en geïntegreerde schakelingen (2000), optische halfgeleidersensoren (2009). Rusland staat op de tweede plaats in de wereld wat betreft investeringen in nanotechnologie, de tweede alleen voor de Verenigde Staten (in 2011 bedroegen de investeringen ongeveer $ 2 miljard). Momenteel ervaart de wetenschap een echte hausse in nieuwe materialen. In dit opzicht zijn materiaalwetenschappers in veel industrieën in trek: in kernenergie, medicijnen, olie, auto-industrie, luchtvaart, ruimtevaart, defensie, energie-industrieën, de topsportindustrie, onderzoeksinstituten en innovatieve bedrijven die wetenschapsintensieve producten produceren.

Onderdelen en samenstellingen van de Sukhoi Superjet 100 gemaakt van composietmaterialen

Flexibele displays op basis van grafeen

Moderne sportuitrusting gemaakt van composietmaterialen

Materiaalwetenschappers houden zich bezig met de ontwikkeling, het onderzoek en de modificatie van organische en anorganische materialen voor verschillende doeleinden; de processen van hun productie, structuurvorming, transformatie in de stadia van productie, verwerking en exploitatie; kwesties van betrouwbaarheid en efficiëntie van materialen; computersimulatie van het gedrag van onderdelen en samenstellingen onder verschillende soorten belasting; technische ondersteuning bieden aan verschillende productieafdelingen in zaken met betrekking tot materialen voor de vervaardiging van eenheden en componenten van apparatuur, deelnemen aan de selectie en evaluatie van potentiële leveranciers van het bedrijf.

Afgestudeerden van de richting "Materialenwetenschap" van VolgGTU zijn veelgevraagd in grote bedrijven en ondernemingen: OJSC SUAL-afdeling van VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau Titanez, OJmonta Nephtepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau Titanez, OJmonta. VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kausstik, LLC Konstanta-2 en vele anderen.

De opleiding van gecertificeerde bachelors en masters wordt uitgevoerd in het kader van de richting "Materialenwetenschap en -technologie van materialen" bij

Startpagina > Document

MINISTERIE VAN ONDERWIJS EN WETENSCHAP VAN DE RUSSISCHE FEDERATIE

Staatsonderwijsinstelling

hoger beroepsonderwijs

"Ivanovo Staat Textiel Academie"

Vakgroep Natuurkunde en Nanotechnologie

		GOEDKEUREN Vicerector Academische Zaken VV Lyubimtsev "_____" ____________________ 2011

Materiaalwetenschap van nanomaterialen en nanosystemen

Code, voorbereidingsrichting	152200 Nano-engineering

Trainingsprofiel	Nanomaterialen

Cyclus, code	Wiskundige en natuurwetenschappen (B.3.1-3a)

semester(s)

Kwalificatie (graad) van de afgestudeerde	bachelor opleiding

Vorm van studie	full time

Faculteit	mode-industrie

Ivanovo 2011

Als resultaat van het bestuderen van de discipline "Materialenwetenschap van nanomaterialen en nanosystemen", moeten studenten: weten: - eigenschappen en toepassingen van nanodispers poeder, fullereen nanogestructureerde vaste, vloeibare en gelachtige materialen, nano-elementen en objecten, nanosystemen (heterostructuren); grondbeginselen van nanotechnologieën voor het verkrijgen van nanomaterialen; grondbeginselen van nanotechnologieën voor het verkrijgen van nanogestructureerde en gradiënthardende, beschermende en functionele lagen en coatings; grondbeginselen van technologische processen voor de synthese van composietmaterialen; in staat zijn om: - selecteer nanostructuren en productiemethoden voor de implementatie van nano-objecten met gespecificeerde kenmerken voor de specifieke vereisten van de conversie van elektrische, optische, magnetische, thermische en mechanische signalen; - de basisconcepten en definities gebruiken bij de vorming van diepgaande kennis op het gebied van nanoengineering; - de kenmerken van nanoproducten en nanotechnologieën analyseren; diagrammen maken van technologische apparatuur en apparaten voor nanotechnologische processen. eigen: - vaardigheden in het oplossen van problemen van kennisvorming op het gebied van nanoengineering. Het werkprogramma van de discipline voorziet in de volgende soorten educatief werk:

Soort studiewerk	Totaal aantal uren / credits	Semesternummer
Soort studiewerk	Totaal aantal uren / credits
Klasactiviteiten (totaal)
Inclusief:

Practica (werkcolleges)
Zelfstandig werk (totaal)
Voorbereiding op praktijklessen (seminars)
De studie van theoretische kwesties ingediend voor onafhankelijke studie
Voorbereiding op de toets
Type tussentijdse certificering (test, examen)
Totale arbeidsintensiteit: uren kredieteenheden

De discipline omvat de volgende onderdelen:

De geschiedenis van de opkomst van nanomaterialen, de dynamiek van hun ontwikkeling en implementatie in de praktijk.

Basisconcepten en classificatie van nanogestructureerde materialen.

Kenmerken van eigenschappen en belangrijkste soorten nanoschaalsystemen.

Technologische processen van productie, verwerking en modificatie van nanomaterialen en daarop gebaseerde producten.

afdelingshoofd

AK Izgorodin

Leraar-ontwikkelaar

De afdeling Nanotechnologie, Materiaalkunde en Mechanica is in december 2011 opgericht op basis van twee afdelingen van het TSU Institute of Physics and Technology en heeft diepe historische wortels. Aan de oorsprong van de afdeling stonden wetenschappers van wereldklasse, professoren M.A. Kristal, G.F. Lepin en E.A. Mamontov, die een enorme bijdrage heeft geleverd aan de wetenschap van de fysische materiaalwetenschap en de basis heeft gelegd voor de onderzoeksbasis voor materiaalwetenschap aan de universiteit.

Sectie "Mechanica"; basisafdeling "Nanomaterialen" (Moskou, Centraal Onderzoeksinstituut van Chermet genoemd naar I.P. Bardin), wetenschappelijk en educatief centrum "Physical Materials Science and Nanotechnologies";

Meer dan 20 moderne, goed uitgeruste onderwijs- en onderzoekslaboratoria voor elektronen-, laser-, atoomkrachtmicroscopie, fysieke en mechanische testen, röntgendiffractie-analyse, metallografie en akoestische emissie, enz., waarvan er drie zijn geaccrediteerd in de systemen van Rostekhnadzor en analytische laboratoria (SAAL);

Internationale School "Fysische Materiaalkunde"

Samenwerking met vooraanstaande Russische en buitenlandse wetenschappelijke scholen, waaronder universiteiten in Duitsland (Freiberg), Japan (Osako, Kyoto), Australië (Melbourne), enz.

Alle ouderejaarsstudenten zijn betrokken bij vruchtbaar onderzoekswerk en worden jaarlijks winnaars en laureaten van wedstrijden van wetenschappelijke werken en diplomaprojecten. Bijna 100% van de afgestudeerden van de afdeling is werkzaam, waarvan 80% in hun specialiteit werkt in het onderzoekscentrum en de laboratoriumtestafdeling van PJSC AVTOVAZ, laboratoria van het Samara Regional Innovation and Technology Center, evenals in deskundige organisaties.

Waarnemend afdelingshoofd

professor, doctor in de technische wetenschappen

KlevtsovGennady Vsevolodovich

Trainingsgebieden

niet-gegradueerde:
- 22.03.01 Materiaalwetenschap en materiaaltechnologie (profiel "Moderne materialen en technologieën voor hun productie")

Master diploma:
– 22.04.01 Materiaalwetenschap en materiaaltechnologie

(profiel "Engineering van geavanceerde materialen en diagnostiek van het gedrag van materialen in producten")

doctoraat:
– 03.06.01 Natuur- en sterrenkunde

(profiel "Fysica van de gecondenseerde materie")

– 22.06.01 Materiaaltechnologie (profiel “Metaalwetenschap en warmtebehandeling van metalen en legeringen”)

De doelstellingen van het onderwijsprogramma 22.04.01 Materiaalwetenschap en -technologie (Engineering van geavanceerde materialen en diagnostiek van het gedrag van materialen in producten):

C1. Voorbereiding van een afgestudeerde voor onderzoekswerk op het gebied van moderne materiaalkunde.

C2. Voorbereiding van een afgestudeerde voor het maken van nieuwe materialen, de studie van hun eigenschappen, de ontwikkeling van technologie voor hun productie.

C3. Voorbereiding van een afgestudeerde voor het ontwerpen van materialen met gewenste eigenschappen.

C4. Voorbereiding van een afgestudeerde voor productie- en technologische activiteiten, die zorgt voor de introductie in gebruik van nieuwe hightech-ontwikkelingen waar op wereldniveau veel vraag naar is.

Disciplines

Docenten van de afdeling "Nanotechnologie, Materiaalkunde en Mechanica" geven lessen in de volgende disciplines:

– Theoretische mechanica;

– Sterkte van materialen;

– Theorie van machines en mechanismen;

- Machine onderdelen;

- Materiaal kunde;

– Technologie van constructiematerialen;

– Nanotechnologieën in productie en ecologie;

– Fysische en chemische basen van nanotechnologieën;

– materiaalkunde van nanomaterialen en nanosystemen;

– Fysica van de gecondenseerde toestand;

– Fase-evenwichten en structuurvorming;

– Fysische materiaalkunde;

– Sterkte van legeringen en composieten;

– Nieuwe technologieën en materialen;

– Methoden voor het uitharden van constructiematerialen;

– Niet-destructieve onderzoeksmethoden, etc.