Наноматериалы

реферат по наноматериалам , рассмотрены наноматериалы и приборы на их основе ...

Введение……………………………………………………………………3
1. Наноматериалы………………………………………………………….4
2. НаноБетон………………………………………………………………..7
3. Наноматериалы и стали……………………………………………….11
4. Наноматериалы (древесина и стекло)……………………………….13

Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Прежде всего это касается роста степени интеграции и быстродействия ИС. Планарная технология приближается к фундаментальным пределам, определяемым самой природой. Ведущие производители ИС уверенно осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, “еще немного, еще чуть-чуть”, и будет технология в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. Например, пробел между проводящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь “простреливаться” в поперечном направлении электронами за счет туннельного эффекта.

Следует также упомянуть самокомпактирующийся бетон, не требующий вибрационного воздействия для консолидации состава. Его использование значительно уменьшает энергетические и трудовые расходы. Исходный материал, содержащий высокодисперсные наночастицы поликарбоксилата, ведет себя как густая жидкость при небольшом соотношении цемент-вода. При высыхании набухающие частицы пластификатора препятствуют образованию пустот и трещин. Самокомпактирующийся бетон обладает еще одним важным преимуществом. Обычный пластифицированный бетон медленно схватывается в зимнее время, что приводит к необходимости дополнительной парообработки конструкций. Наночастицы поликарбоксилата значительно уменьшают количество используемой воды и время засыхания материала, делая необязательной стадию парообработки. Отметим,наконец, технику нанесения волокнистых покрытий на поверхность формируемых бетонных структур, включающую в себя использование волокнистого углеродного композита с наночастицами оксида кремния. Наночастицы заполняют трещинки на поверхности засыхающего бетона и связывают прочно его с материалом-усилителем. Волокна углерода играют важную роль в замедлении трещино-образования, увеличении времени жизни бетонных структур во влажных условиях и устойчивости к царапинам. Производство химических добавок постепенно выделяется в самостоятельную отрасль промышленности строительных материалов. И в настоящее время в России количество модифицированных бетонов составляет 60–70 % от общего выпуска. Однако по этому показателю мы заметно отстаем от большинства развитых стран, где он достигает 85–95 %. Наноматериалы и сталиУсталость материала – одна из основных причин разрушения стальных конструкций, подверженных циклическим нагрузкам (мосты, башни и т.п.). Даже напряжения намного меньшие, чем пороги разрушения, могут приводить при периодическом повторении к уменьшению времени жизни изделия. Современная философия строительства включает в себя три основных превентивных стратегии: резкое уменьшение допустимой нагрузки на конструкцию; значительное сокращение допустимого периода ее эксплуатации; регулярный мониторинг состояния. Все три подхода оказывают значительное влияние на стоимость строительства и эксплуатации конструкции. Цементную плитку покрывают краской на основе нанокомпозита, что делает ее стойкой к непогоде Исследования показали, что добавка к стали небольших наночастиц меди сглаживает неоднородность поверхности стали, уменьшая таким образом количество точек, в которых концентрируются напряжения. Дальнейшая разработка таких композиционных материалов позволит существенно увеличить безопасность металлических конструкций при одновременной экономии средств мониторинга их состояния. Высотные конструкции требуют создания высокопрочных соединений, что предъявляет особые требования к используемым в таких соединениях болтам. Обычно их производят закаливанием стали и ее последующим отпуском. Когда сдвиговой модуль упругости мартенситной стали превышает 1200 МПа, даже очень малые количества водорода, попадающего на межзеренные границы, существенно охрупчают материал. Этот процесс, известный как отложенное разрушение, ограничивает сдвиговой модуль упругости используемых болтов в диапазоне 1000–1200 МПа. При добавке наночастиц ванадия или молибдена, связывающих атомы водорода и улучшающих микроструктуру материала замещением межзеренной цементитной фазы, порог отложенного разрушения стальных изделий значительно повышается. Сварные швы и прилежащие к ним области часто охрупчаются и могут разрушиться при резкой динамической нагрузке, поэтому прочность сварных швов имеет большое значение для создания надежных металлических конструкций, особенно в сейсмоопасных зонах планеты. Последствия землетрясения в Лос-Анджелесе в 1994 году заставили ученых и конструкторов переосмыслить значение зон сварки. Современные стратегии дизайна металлических конструкций включают в себя сознательное ослабление определенных зон с целью переноса областей повышенного напряжения как можно дальше от зон сваривания. Однако последние исследования показывают, что небольшие добавки наночастиц магния или кальция в пять раз уменьшают размер зерен в сварных швах, увеличивая существенно их прочность. Самокомпактирующемуся бетону не нужна вибрация, он густеет благодаря наночастицам поликарбоксилата Отметим, что перечисленные выше возможности применения наночастиц можно рассматривать не только с точки зрения безопасности, но и с точки зрения экологии: продление жизни конструкций поможет снизить нагрузки на природу, связанные с добычей и транспортировкой руды, производством стали. Наноматериалы (древесина и стекло)В одном из древнейших конструкционных материалов, дереве, природа использовала природные нанотрубки и нанофибриллы, роль которых выполняют лигноцеллюлозные элементы. Их прочность превышает прочность стали как минимум в два раза. Направленное использование лигноцеллюлозных нанофибрилл может стать новой парадигмой в строительстве, поскольку в производстве таких конструкций будут использованы только возобновляемые ресурсы. В настоящее время в ряде университетов США и Европы проводятся исследования с целью модификации поверхности лигноцеллюлозных волокон, что позволит использовать их в качестве самостерилизующихся, самозаживляемых элементов, в том числе электронных лигноцеллюлозных приборов: как активных, так и пассивных сенсоров, осуществляющих мониторинг структурных нагрузок, температуры, влажности, теплового режима работы приборов. Однако создание лигноцеллюлозной техники – вопрос более отдаленного будущего по сравнению с другими перечисленными возможностями. Цементную плитку покрывают краской на основе нанокомпозита, что делает ее стойкой к непогоде Если покрыть стекло тонкой пленкой, содержащей наночастицы диоксида титана, то его можно использовать не только для пассивного частичного пропускания энергии света, но и для расщепления органических загрязнителей воздуха в помещении. Противопожарные стекла – другой пример использования нанотехнологий в строительстве. Они представляют собой прозрачный слой нанопористого оксида кремния, заключенный между слоями обычного стекла. При пожаре нанопена затвердевает и мутнеет, позволяя стеклу выдерживать гораздо большие тепловые нагрузки и одновременно становясь надежным барьером для теплового потока. В настоящее время значительное внимание исследователей и конструкторов сосредоточено на создании «умных» стекол, способных контролировать потоки света и тепла внутрь здания. Можно выделить четыре основных подхода к использованию нанотехнологий для решения этой задачи: - Нанесение спектрально чувствительных тонкопленочных покрытий, не пропускающих инфракрасные световые волны. - Активные термохромные покрытия, реагирующие на изменение температуры и способные термоизолировать помещение, обеспечивая одновременно приемлемый уровень освещенности. - Фотохромные покрытия, изменяющие коэффициент пропускания стекла в зависимости от его освещенности. - Электрохромные покрытия на основе оксида вольфрама, реагирующие изменением прозрачности на изменение приложенного напряжения (становящиеся непрозрачными при прикосновении). Настоящее и будущее наноматериалов в строительствеСтроительная индустрия, представляющая гигантское поле деятельности с точки зрения применения нанотехнологий, весьма раздроблена: 97 % строительных фирм в Европе насчитывает персонал не более 20 человек. Именно этот фактор ограничивает финансирование направленной научно-исследовательской работы, которая концентрируется на решении конкретных задач из области создания тех или иных конструкций или конструкционных материалов. На сегодняшний день развитие строительного материаловедения определяется во многом успехами в исследованиях смежных дисциплин (например, автомобиле- и авиастроение). Небольшими размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм – сравнительно медленное внедрение новых материалов, связанное с неспособностью к крупным инновационным капиталовложениям. Однако даже небольшие изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и технологий оборачиваются чрезвычайно большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий. Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше – на 10–15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети. А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять самомониторинг – нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудо-дней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью. Нанотехнологии в медицинеРассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века. Рис 1. Нано-роботы в крови человекаВ действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными. Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями. Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки. Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм! Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей. Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой. Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса: 1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы. 2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами. 3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне. Рис 2. Наномеханизмы в организмеОсновная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.