Materialvitenskap og teknologi for nanomaterialer i nanosystemer. Nanoteknologi, materialvitenskap og mekanikk

Anbefalt for publisering av Institute of Metallurgy and Materials Science (IMET) im. A.A. Baykov RAS (Laboratory of Physical Chemistry and Coating Technology - Laboratoriesjef V.I. Kalita, Doctor of Technical Sciences, Professor) og St. Petersburg University of Engineering and Economics (Department of Engineering and Technical Sciences - Instituttleder V.K. Fedyukin, Doctor of Technical Sciences, professor, korresponderende medlem av International Academy of Higher Education) som et læremiddel for universitetsstudenter som studerer i teknologiske opplæringsområder som en del av kurset "Moderne teknologier og materialer for industrier."

Fikk UMO Graf for PPO nr. 04-01 (Godkjent av Utdannings- og Metodeforbundet for fagpedagogisk utdanning som læremiddel for studenter ved høyere utdanningsinstitusjoner).

Vitenskapelig og teknologisk fremgang innen høyteknologi - innen materialvitenskap, elektronikk, mikromekanikk, medisin og andre områder av menneskelig aktivitet er assosiert med resultatene av grunnleggende og anvendt forskning, design og praktisk bruk av strukturer, materialer og enheter, elementene hvorav har dimensjoner i nanometerområdet (1 nm = 10-9m), og utvikling av teknologier for deres fremstilling (nanoteknologi) og diagnostiske metoder. Objektene for nanoteknologi i materialvitenskap er spredte materialer, filmer og nanokrystallinske materialer.

Formålet med håndboken er å gjøre studenter og spesialister kjent med en ny effektiv retning i utviklingen av vitenskap og teknologi innen nanomaterialer og nanoteknologi, spesielt syntese av nanokrystallinske strukturmaterialer med unike egenskaper og eksempler på bruk i industrien .

Manualen diskuterer det teoretiske og teknologiske grunnlaget, problemene og utsiktene til nanovitenskap og nanoindustri. Definisjoner av de grunnleggende begrepene innen nanovitenskap er foreslått. Dataene om nanomaterialer og nanostrukturer er systematisert og deres klassifisering er gitt. Metoder for forskning og design av nanostrukturer er beskrevet. Det gis en analyse av metoder for syntese av nanostrukturerte materialer og en rekke eksempler på deres anvendelse i tradisjonelle og nye teknologier i ulike bransjer. Egenskapene til endringer i de fysiske, mekaniske og teknologiske egenskapene til strukturelle og funksjonelle nanomaterialer vurderes.

Læreboken er designet for studenter ved høyere utdanningsinstitusjoner som studerer i ulike spesialiteter, studerer kurs i materialvitenskap og teknologi for strukturelle materialer. Det kan være nyttig for hovedfagsstudenter, spesialister og forskere som arbeider med nanomaterialer og nanoteknologi.

Strukturen til opplæringen:

Introduksjon.

Kapittel 1. Grunnleggende og aspekter ved utviklingen av vitenskapen om nanomaterialer og nanoteknologi.

Kapittel 2. Nanomaterialer og nanostrukturer.

Kapittel 3. Metoder for å studere og designe nanostrukturer.

Kapittel 4. Teknologier for å skaffe nanostrukturerte materialer og produsere nanoprodukter.

Kapittel 5. Mekaniske egenskaper til nanomaterialer.

Konklusjon.

Bibliografisk liste.

Liste over termer.

Vedlegg: Spesialutstilling for nanoteknologi og nanomaterialer.

Bibliografisk lenke

Zabelin S.F., Alymova M.I. MATERIALVITENSKAP OG TEKNOLOGI FOR NANOSTRUKTURERT MATERIALER (TUTORIAL) // International Journal of Experimental Education. - 2015. - Nr. 1. - S. 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (dato for tilgang: 17.09.2019). Vi gjør deg oppmerksom på tidsskriftene utgitt av forlaget "Academy of Natural History"

Karbon nanorør modell

Slutten av ett år og begynnelsen av det neste er en spesiell tid da menneskeheten får besøk av ønsket om å analysere fortiden og reflektere over det som ligger foran oss. Og i begynnelsen av det nye året ønsker vi å gjennomgå de 10 viktigste utviklingene innen nanoteknologi siden begynnelsen av deres utvikling, relatert til materialvitenskap.

Dette er hvordan J.Wood, en av dens redaktører, begynner sin publisering i post-nyttårsutgaven av Materials Today, og lurer på hvilke hendelser de siste 50 årene som har bestemt dagens høye dynamikk i utviklingen av materialvitenskap. Wood identifiserer 10 hendelser (ikke inkludert oppdagelsen av høytemperaturs superledning her, åpenbart, som en hendelse som er mer betydningsfull for fysikere enn for materialforskere).

På det første stedet- "International Technology Roadmap for Semiconductors" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), ikke en vitenskapelig oppdagelse, men faktisk et dokument (analytisk gjennomgang) satt sammen av en stor internasjonal gruppe eksperter (i 1994, mer enn 400 teknologer var involvert i utarbeidelsen av kartet, og i 2007 mer enn 1200 spesialister fra industri, nasjonale laboratorier og akademiske institusjoner). Ved å kombinere vitenskap, teknologi og økonomi, angir kartet mål som kan oppnås i en gitt tidsperiode og de beste måtene å oppnå dem på. Sluttrapporten (i 2007 inneholder den 18 kapitler og 1000 sider med tekst) er resultatet av en konsensus blant flertallet av eksperter, oppnådd etter lange diskusjoner. Russiske arrangører av nanoforskning sto overfor et lignende problem når de valgte målet om nanoutvikling. De prøver på kort tid å "inventere" det som allerede "påfører" i Russland, og oppfordrer de raskt opprettede ekspertrådene til å finne den optimale retningen for utviklingskanalen. Kjennskap til innholdet i ITRS-rapporten og erfaring med organisering av disse studiene vil åpenbart være nyttig.

Ris. 1. Halvlederforskning basert på ITRS

Andreplass- skanningstunnelmikroskopi - er ikke overraskende, fordi det var denne oppfinnelsen (1981) som fungerte som en drivkraft for nanoforskning og nanoteknologi.

Tredje plass- effekten av gigantisk magnetoresistens i flerlagsstrukturer av magnetiske og ikke-magnetiske materialer (1988), basert på hvilke lesehoder for harddisker ble opprettet, som nå er utstyrt med alle personlige datamaskiner.

Fjerde plass- halvlederlasere og lysdioder på GaAs (den første utviklingen går tilbake til 1962), hovedkomponentene i telekommunikasjonssystemer, CD- og DVD-spillere, laserskrivere.

Femteplass- viser igjen ikke til en vitenskapelig oppdagelse, men til et godt organisert arrangement i 2000 for å fremme massiv avansert vitenskapelig forskning - den såkalte. US National Nanotechnology Initiative. Vitenskap rundt om i verden skylder nå mye til entusiastene for dette initiativet - daværende president B. Clinton og Dr. M. Roko (Mihail C. Roco) fra US National Science Foundation. I 2007 oversteg den globale finansieringen av nanoforskning 12 milliarder dollar. Relevante vitenskapelige programmer har blitt lansert i 60 (!) land i verden. Forresten, posisjonen til noen russiske forskere som er misfornøyde med "nanostormen" [for eksempel 2] er litt uforståelig, fordi det var denne snøstormen som tvang den russiske regjeringen til å vende seg til vitenskapen.

Ris. 2. Sykkel forsterket med nanofibre

Sjette plass– plast forsterket med karbonfiber. Komposittmaterialer - lette og sterke - har forvandlet mange bransjer: fly, romteknologi, transport, emballasje, sportsutstyr.

Syvende plass– materialer for litiumion-batterier. Det er vanskelig å forestille seg at vi inntil nylig klarte oss uten bærbare datamaskiner og mobiltelefoner. Denne "mobilrevolusjonen" ville ikke vært mulig uten overgangen fra oppladbare batterier som bruker vandige elektrolytter til mer energikrevende litiumionbatterier (katode - LiCoO__2__ eller LiFeO__4__, anode - karbon).

Åttende plass– karbon nanorør (1991), deres oppdagelse ble innledet av ikke mindre oppsiktsvekkende oppdagelse i 1985 av C__60__ fullerener. I dag er de fantastiske, unike og lovende egenskapene til karbon-nanostrukturer i sentrum av de heteste publikasjonene. Imidlertid er det fortsatt mange spørsmål angående metodene for massesyntese deres med ensartede egenskaper, rensemetoder og teknologier for deres inkludering i nanoenheter.

Ris. 3. Metamateriale som absorberer elektromagnetisk stråling

niende plass– materialer for myk trykt litografi. Litografiske prosesser inntar en sentral plass i produksjonen av dagens mikroelektroniske enheter og kretser, lagringsmedier og andre produkter, og det er ikke noe alternativ i nær fremtid. Myk trykt litografi bruker et elastisk polydimetyloksysilan-stempel som kan brukes flere ganger. Metoden kan brukes på flate, buede og fleksible underlag med en oppløsning på opptil 30 nm oppnådd i dag.

Materialer har alltid spilt en viktig rolle i utviklingen av sivilisasjonen. Forskere sier at menneskehetens historie kan beskrives som en endring i materialene som brukes. Sivilisasjonshistoriens epoker ble navngitt etter materialene: stein, bronse og jernalder. Kanskje den nåværende epoken vil bli kalt århundret av komposittmaterialer. I utviklede land er materialvitenskap rangert blant de tre beste kunnskapsområdene sammen med informasjonsteknologi og bioteknologi.

Hver gren av teknologien, ettersom den utvikler seg, stiller flere og mer mangfoldige og høye krav til materialer. For eksempel må strukturelle materialer for satellitter og romfartøy, i tillegg til temperatur (høye og ultralave temperaturer) og termisk syklusmotstand, ha tetthet i absolutt vakuum, motstand mot vibrasjoner, høye akselerasjoner (ti tusen ganger større enn akselerasjonen) tyngdekraften), meteorittbombardement, langvarig eksponering for plasma, stråling, vektløshet, etc. Kun komposittmaterialer bestående av flere komponenter med sterkt forskjellige egenskaper kan tilfredsstille slike motstridende krav.

Lagdelt intermetallisk kompositt med økt varmebestandighet

Superledende fiberkompositt

Slitasjebestandig dispersjonsforsterket komposittmateriale

Utviklingen av nanoteknologi (en av delene av moderne materialvitenskap), i henhold til prognosene til de fleste eksperter, vil bestemme ansiktet til det 21. århundre. Dette bekreftes av tildelingen av fire nobelpriser i kjemi og fysikk de siste 15 årene: for oppdagelsen av nye former for karbon - fullerener (1996) og grafen (2010), for utviklingen innen halvlederteknologi og integrerte kretser. (2000), optiske halvledersensorer (2009). Russland er på andreplass i verden når det gjelder investeringer i nanoteknologi, nest etter USA (i 2011 utgjorde investeringene ca. 2 milliarder dollar). For tiden opplever vitenskapen en virkelig boom i nye materialer. I denne forbindelse er materialforskere etterspurt i mange bransjer: innen kjernekraft, medisin, olje, bilindustri, luftfart, romfart, forsvar, energiindustri, elitesportsindustrien, forskningsinstitutter og innovative selskaper som produserer vitenskapsintensive produkter.

Deler og sammenstillinger av Sukhoi Superjet 100 laget av komposittmaterialer

Fleksible skjermer basert på grafen

Moderne sportsutstyr laget av komposittmaterialer

Materialforskere er engasjert i utvikling, forskning og modifikasjon av organiske og uorganiske materialer for ulike formål; prosessene for deres produksjon, strukturdannelse, transformasjon på stadier av produksjon, prosessering og drift; spørsmål om pålitelighet og effektivitet av materialer; datasimulering av oppførselen til deler og sammenstillinger under ulike typer belastning; gi teknisk støtte til ulike produksjonsavdelinger i saker knyttet til materialer for produksjon av enheter og komponenter av utstyr, delta i valg og evaluering av potensielle leverandører til selskapet.

Nyutdannede fra "Materials Science"-retningen til VolgGTU er etterspurt og jobber i store selskaper og bedrifter: OJSC SUAL filial av VgaZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureaufte Titan, OJdSC VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 og mange andre.

Opplæringen av sertifiserte bachelorer og mastere gjennomføres innenfor rammen av retningen "Materials Science and Technology of Materials" kl.

Hjem > Dokument

UDDANNELSES- OG VITENSKAPSMINISTERIET I DEN RUSSISKE FØDERASJON

Statens utdanningsinstitusjon

høyere profesjonsutdanning

"Ivanovo State Textile Academy"

Institutt for fysikk og nanoteknologi

		VEDTA Prorektor for akademiske spørsmål V.V. Lyubimtsev "_____" __________________ 2011

Materialvitenskap for nanomaterialer og nanosystemer

Kode, retning for forberedelse	152200 Nanoingeniør

Treningsprofil	Nanomaterialer

Syklus, kode	Matematisk og naturvitenskapelig (B.3.1-3a)

Semester(er)

Kvalifikasjon (grad) av utdannet	bachelor

Studieform	fulltid

Fakultet	moteindustri

Ivanovo 2011

Som et resultat av å studere disiplinen "Materials Science of Nanomaterials and Nanosystems", bør studentene: vet: - egenskaper og anvendelser av nanodispergert pulver, fulleren nanostrukturert faste, flytende og gel-lignende materialer, nanosized elementer og objekter, nanosystemer (heterostrukturer); grunnleggende om nanoteknologi for å skaffe nanomaterialer; grunnleggende om nanoteknologi for å oppnå nanostrukturert og gradientherding, beskyttende og funksjonelle lag og belegg; grunnleggende om teknologiske prosesser for syntese av komposittmaterialer; være i stand til: - velge nanostrukturer og metoder for deres produksjon for implementering av nanoobjekter med spesifiserte egenskaper for de spesifikke kravene til konvertering av elektriske, optiske, magnetiske, termiske og mekaniske signaler; - bruke de grunnleggende begrepene og definisjonene i dannelsen av dybdekunnskap innen nanoteknikk; - analysere funksjonene til nanoprodukter og nanoteknologier; utarbeide diagrammer over teknologisk utstyr og enheter for nanoteknologiske prosesser. egen: - ferdigheter i å løse problemer med kunnskapsdannelse innen nanoteknikk. Arbeidsprogrammet for disiplinen sørger for følgende typer pedagogisk arbeid:

Type studiearbeid	Totalt antall timer / studiepoeng	Semesternummer
Type studiearbeid	Totalt antall timer / studiepoeng
Klasseromsaktiviteter (totalt)
Gjelder også:

Praktiske klasser (seminarer)
Selvstendig arbeid (totalt)
Forberedelse til praktiske timer (seminarer)
Studiet av teoretiske problemstillinger sendt inn for selvstendig studie
Forberedelse til prøven
Type mellomliggende sertifisering (prøve, eksamen)
Total arbeidsintensitet: timer kredittenheter

Disiplinen inkluderer følgende seksjoner:

Historien om fremveksten av nanomaterialer, dynamikken i deres utvikling og implementering i praksis.

Grunnleggende konsepter og klassifisering av nanostrukturerte materialer.

Egenskaper og hovedtyper av nanoskalasystemer.

Teknologiske prosesser for produksjon, prosessering og modifikasjon av nanomaterialer og produkter basert på dem.

avdelingsleder

A.K. Izgorodin

Lærer-utvikler

Institutt for nanoteknologi, materialvitenskap og mekanikk ble etablert i desember 2011 på grunnlag av to avdelinger ved TSU Institute of Physics and Technology og har dype historiske røtter. Ved opprinnelsen til avdelingen var forskere i verdensklasse, professorer M.A. Krishtal, G.F. Lepin og E.A. Mamontov, som ga et stort bidrag til vitenskapen om fysisk materialvitenskap og skapte grunnlaget for forskningsbasen for materialvitenskap ved universitetet.

Seksjon "Mekanikk"; baseavdeling "Nanomaterials" (Moskva, Central Research Institute of Chermet oppkalt etter I.P. Bardin), vitenskapelig og pedagogisk senter "Physical Materials Science and Nanotechnologies";

Mer enn 20 moderne, velutstyrte utdannings- og forskningslaboratorier for elektron-, laser-, atomkraftmikroskopi, fysisk og mekanisk testing, røntgendiffraksjonsanalyse, metallografi og akustisk emisjon, etc., hvorav tre er akkreditert i systemene til Rostekhnadzor og analytiske laboratorier (SAAL);

International School "Fysisk materialvitenskap"

Samarbeid med ledende russiske og utenlandske vitenskapelige skoler, inkludert universiteter i Tyskland (Freiberg), Japan (Osako, Kyoto), Australia (Melbourne), etc.

Alle seniorstudenter er engasjert i fruktbart forskningsarbeid og blir årlig vinnere og prisvinnere av konkurranser av vitenskapelige arbeider og diplomprosjekter. Nesten 100% av nyutdannede ved avdelingen er ansatt, hvorav 80% jobber i sin spesialitet i forskningssenteret og laboratorietestavdelingen til PJSC AVTOVAZ, laboratorier til Samara Regional Innovation and Technology Center, samt i ekspertorganisasjoner.

Fungerende avdelingsleder

professor, doktor i tekniske vitenskaper

KlevtsovGennady Vsevolodovich

Treningsområder

Undergraduate:
- 22.03.01 Materialvitenskap og materialteknologi (profil "Moderne materialer og teknologier for deres produksjon")

Mastergrad:
– 22.04.01 Materialvitenskap og materialteknologi

(profil "Projektering av avanserte materialer og diagnostikk av oppførselen til materialer i produkter")

PhD:
– 03.06.01 Fysikk og astronomi

(profilen "Physics of Condensed Matter")

– 22.06.01 Materialteknologi (profil "Metallvitenskap og varmebehandling av metaller og legeringer")

Målene for utdanningsprogrammet 22.04.01 Materialvitenskap og teknologi (Projektering av avanserte materialer og diagnostikk av materialers oppførsel i produkter):

C 1. Forberedelse av en kandidat for forskningsarbeid innen moderne materialvitenskap.

C2. Forberedelse av en utdannet for å lage nye materialer, studiet av deres egenskaper, utvikling av teknologi for deres produksjon.

C3. Utarbeidelse av en graduate for design av materialer med ønskede egenskaper.

C 4. Forberedelse av en utdannet for produksjon og teknologiske aktiviteter, som sikrer introduksjon i drift av nye høyteknologiske utviklinger som er etterspurt på verdensnivå.

Disipliner

Lærere ved avdelingen "Nanoteknologi, materialvitenskap og mekanikk" gjennomfører klasser i følgende disipliner:

– Teoretisk mekanikk;

– Materialets styrke;

– Teori om maskiner og mekanismer;

- Maskindeler;

- Materialvitenskap;

– Teknologi av strukturelle materialer;

– Nanoteknologi i produksjon og økologi;

– Fysiske og kjemiske baser for nanoteknologi;

– Materialvitenskap for nanomaterialer og nanosystemer;

– Fysikk av kondensert tilstand;

– Faselikevekter og strukturdannelse;

– Fysisk materialvitenskap;

– Styrken til legeringer og kompositter;

– Nye teknologier og materialer;

– Metoder for herding av konstruksjonsmaterialer;

– Ikke-destruktive forskningsmetoder mv.