Комплект контрольно-измерительных материалов по учебной дисциплине «Физико-химия нанструктурированных материалов» цикла подготовки магистров по направлению 150100. 68 «Материаловедение и технологии материалов», магистерская программа «Наноструктурные материалы и покрытия в нефтедобывающем машиностроении»
1. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1. Общая характеристика свойств наноматериалов.
Размерный эффект. Электронное строение. Фазовые равновесия и термодинамика. Фононный спектр и термические свойства. Проводимость. Оптические характеристики. Магнитные характеристики. Механические свойства. Стабильность. Рост зерен. Диффузия. Реакционная способность. Катализ.
Тема 2. Углеродные наноматериалы.
Фуллерены. Структура фуллерена С60 и его кристаллов. С60, легированный щелочными металлами. Сверхпроводимость в С60. Фуллерены с числом атомов, большим или меньшим 60. Неуглеродные шарообразные молекулы.
Одностенные и многостенные нанотрубки. Капиллярные эффекты. Электрофизические свойства углеродных нанотрубок. Колебательные свойства нанотрубок. Механические свойства углеродных нанотрубок. Свойства неорганических нанотрубок и нанопроволок. Нанотрубки на основе сульфида молибдена. Нанонити на основе металлов и сплавов. Нанонити, состоящие из двух и более металлов. Применение углеродных нанотрубок. Полевая эмиссия. Компьтеры. Сенсоры. Катализаторы. Механическое упрочнение.
Тема 3. Объемные наноструктурированные материалы.
Разупорядоченные твердотельные структуры. Механизмы разрушения традиционных поликристаллических материалов. Механические свойства. Наноструктурированные многослойные материалы. Электрические свойства. Другие свойства. Металлические нанокластеры в оптических стеклах. Пористый кремний. Наноструктурированные кристаллы. Природные нанокристаллы. Теоретическое предсказание кристаллических
решеток из нанокластеров. Упорядоченные структуры наночастиц в цеолитах. Кристаллы из металлических наночастиц. Упорядоченные решетки наночастиц в коллоидных суспензиях. Наноструктурированные кристаллы для фотоники.
Размерная зависимость механических свойств наноматериалов. Вязкость разрушения и особенности деформации наноматериалов. Сверхпластичность наноматериалов. Магнитные свойства нанокристаллических материалов. Суперпарамагнетизм. Магниторезистивный и магнитокалорический эффекты. Теплофизические и электрические свойства.
Тема 4. Ферромагнетизм в наноструктурах.
Основы ферромагнетизма. Влияние наноструктурирования объемного материала на магнитные свойства. Динамика наномагнитов. Магнитные частицы в нанопорах. Наноуглеродные ферромагнетики Гигантское и колоссальное магнитосопротивление. Ферромагнитные жидкости.
Тема 5. Квантовые ямы, проволоки и точки.
Введение. Приготовление квантовых наноструктур. Эффекты, обусловленные размерами и размерностью нанообъектов. Размерные эффекты. Размерность объекта и электроны проводимости. Ферми-газ и плотность состояний. Потенциальные ямы. Частичная локализация. Свойства, зависящие от плотности состояний. Экситоны Одноэлектронное туннелирование. Приложения. Инфракрасные детекторы. Лазеры на квантовых точках. Сверхпроводимость.
Тема 6. Органические соединения и полимеры.
Введение. Образование и описание полимеров. Полимеризация. Размеры полимерных структур. Нанокристаллы. Ароматические соединения. Полидиацетиленовые соединения. Полимеры. Проводящие полимеры. Блок-сополимеры. Супрамолекулярные структуры.. Структуры с переходными металлами. Дендритоподобные молекулы. Супрамолекулярные дендримеры. Мицеллы
Тема 7. Объемные и поверхностные свойства нантехнологически упрочненных сталей. 4ч
Формирование комплекса повышенных свойств в многослойных нанокомпозитных покрытиях. Анализ формирования сверхтвердых нанокомпозитов. Покрытия на спеченных твердых сплавах на основе карбида вольфрама. Высокоэнергетическое воздействие на спеченные твердые сплавы на основе карбида вольфрама с формированием наноструктурного состояния. Формирование наноструктурного состояния при термической
обработке конструкционных металлических материалов.
Тема 8. Наномодифицированные металлы и сплавы в нанокристаллическом состоянии.
Затвердевание и рост нано-, микро - и макрокристаллов в потоке охлаждаемого расплава Нанофазное упрочнение карбонитридами Модифицирование средне - и низколегированных сталей.
Наномодифицирование рельсовой стали барием. Обработка металла анопорошковыми инокуляторами. Поверхностное микромодифицирование. Легирование поверхности стальных отливок с помощью нанопорошков. Легирование поверхности при помощи ультразвукового поля. Наномодифицирование металлических расплавов. Наномодифицирование никельхромовых сплавов.
Тема 9. Свойства неорганических и органических композиционных материалов.
Нанокомпозиты полимер-неорганическая наночастица. Наночастицы в неорганических матрицах.
Тема 10 . Свойства нанопористых тел и молекулярных сит.
Органические и неорганические мембраны. Цеолиты. Пористый кремний. Свойства мицеллярных систем и микроэмульсий, жидких кристаллов, аэрозолей, золей, гелий. Оптические и электронные свойства коллоидных кластеров. Ферромагнитные жидкости.
Тема 11. . Свойства тонких пленок и поверхностных слоев.
Полупроводниковые и сенсорные свойства. Оптические и магнитные свойства. Твердость.
Тема 12. Функциональные наноматериалы.
Пористые материалы и материалы со специальными физико-химическими свойствами. Наносенсоры. Фотоника. Устройства на квантовых точках. Полупроводники. Материалы для наноэлектроники. Электронные механические системы (МЕМS). Водородные аккумуляторы. Магнитные наноматериалы. Устройства для хранения информации.
2. Темы практических занятий
№ п. п. | Номер темы дисциплины | Наименование темы практического занятия (семинара) |
1 | Тема 1 | Конструкционные, инструментальные и триботехнические наноматериалы. |
2 | Тема 2 | Пористые наноматериалы и материалы со специальными физико-химическими свойствами. |
3 | Тема 3 | Керамические материалы. Углеродосодержащие наноматериалы. |
4 | Тема 4 | Тонкопленочные нанопокрытия конструкционных и функциональных материалов |
5. | Тема 5 | Магнитные и электрические свойства систем проводник - диэлектрик |
6 | Тема 6 | Трибологические нанопокрытия |
7 | Тема 7 | Нанотехнологии в топливных элементах и твердотельных электролизерах |
8 | Тема 8 | Моделирования различных наносистем с помощью программного продукта NanoXplorer |
3. Перечень тем контрольных работ:
1. Нанообъекты в твердом веществе, в жидкостях и газах.
2. Строение и структура нанообъектов.
3. Особенности консолидации наночастиц.
4. Свойства наночастиц и углеродных нанообъектов.
5. Свойства функциональных наноматериалов.
6. Свойства супрамолекулярных, коллоидных и биологических нанообъектов.
На контрольные работы выносится лекционный материал и материалы для самостоятельного изучения. По результатам контрольных работ выставляется оценка. Наличие неудовлетворительной оценки или пропуск контрольной работы являются основанием для неаттестации и недопуска к зачету.
4. Вопросы по курсу для проведения итогового зачета
Содержательное понятие термина "нанотехнология".
Классификация Глейтера.
Машины Дрекслера.
Понятие о наноматериалах..
Основы классификации наноматериалов.
Основные типы структур наноматериалов.
Зависимость объемных долей границ раздела, границ зерен и тройных стыков.
Особенности и общие представления о свойствах наноматериалов.
Атомная модель наноструктурного материала.
Атомарная структура вещества.
Типы кристаллических решеток.
Окта и тетрапоры.
Размерные эффекты.
Наночастицы с гранецентрированной решеткой.
Структурные магические числа.
Электронные магические числа.
Тетраэдрические полупроводниковые структуры.
Параметры ковалентны\х связей
Закон Вегарда
Колебания решетки. Фононы.
Структуры энергетических зон.
Диэлектрики, полупроводники и проводники
Обратное пространство и решетка.
Зоны Бриллюэна.
Энергетические зоны и щели в полупроводниках.
Эффективные массы.
Поверхности Ферми.
Локализованные частицы и квазичастицы.
Доноры, акцепторы и глубоколежащие уровни
Подвижность носителей тока.
Экситоны.
Основы классификации наноматериалов.
Классификация наноматериалов.
Основные типы структур наноматериалов.
Особенности свойств наноматериалов.
Зависимость объемных долей границ раздела, границ зерен и тройных стыков.
Основные области применения наноматериалов и нанотехнологий.
Нанообъекты в твердом веществе и жидкости.
Молекулярные и лигандные кластеры.
Кластеры на основе оксидов металлов.
Коллоидные кластеры.
Твердотельные нанокластеры и наноструктуры.
Наноструктурированные нанокристаллы.
Кластерные кристаллы и фуллериты.
Матричные нанокластеры и супрамолекулярные наноструктуры.
Углеродные нанокластеры. Фуллерены. Фуллириты. Нанотрубки.
Металлические нанокластеры в оптических стеклах.
Компактированные системы и нанокомпозиты.
Пористый кремний.
Особенности структуры наноматериалов.
Зерна, слои и поры в консолидированных материалах.
Дефекты, поверхности раздела, пограничные сегрегации.
Табулярные и луковичные структуры.
Нанополимерные, супрамолекулярные, нанобиологические
и нанопористые структуры.
Магические числа.
Электронное строение.
Электрические свойства.
Магнитные свойства.
Структурные и фазовые переходы.
Влияние размера частиц на параметры кристаллической решетки и ее кристаллогеометрию.
Влияние размера частиц на температуру плавления.
Влияние размера частиц на температуру эвтектической реакции.
Влияние размера частиц на теплоемкость.
Влияние размера частиц на термическое расширение.
Влияние размера частиц на на фазовые преврещения в твердом теле.
Влияние размера частиц на температуру Дебая.
Влияние размерного фактора на характеристики ферроников.
Влияние размера частиц на оптические свойства.
Методы получения нанопорошков.
Технологии химического осаждения из паровой фазы.
Метод выскокотемпературного гидролиза.
Технологии высокоэнергетического синтеза. Детонационный синтез.
Плазмохимический синтез.
Технологии осаждения из растворов.
Золь-гель процесс.
Метод жидкофазного восстановления
Метод гидротермального синтеза.
Микроэмульсионный метод.
Криохимический метод.
Импульсный радиолиз в растворов.
Технология разложения нестабильных соединений.
радиационное разложение соединений.
Использование восстановительных процессов.
Поверхностноактивные вещества в нанотехнологиях.
Мицеллы.
Принципиальная схема получения нанопорошка методом термического испарения и конденсации материала из паровой фазы.
Установка Глейтера.
Основные схемы источников, использующих инертные газы для получения сверхнасыщенного пара.
Метод криогенного расплавления для получения металлических нанокристаллов
Использование лазерной абляции.
Схема получения порошка из проволоки взрывным испарением.
Принципиальная схема распыления порошка из расплава при помощи охлаждаемого барабана.
Схема установки для получения нанопорошков испарением в потоке инертного газа.
Принципиальная схема процесса ударного распыления расплава.
Схема установки для измельчения – аттритор.
Методы с использованием аморфизации.
Методы формовки.
Схема методов интенсивной пластической деформации.
Квантовые ямы, проволоки, точки
Спектр фотолюминсценсии массива квантовых точек.
Размерные эффекты.
Количество атомов на поверхности и объеме.
Легированные полупроводники.
Размерные эффекты и электроны проводимости.
Локализованные и делокализованные электроны.
Ферми газ и плотность состояний.
Потенциальная яма.
Принцип Паули.
Частичная локализация.
Свойства, зависящие от плотности состояния.
Экситоны.
Одноэлектронное туннелирование.
Детекторы и лазеры на квантовых точках.
