Комплект контрольно-измерительных материалов по учебной дисциплине “ Физико-химия наночастиц и наноматериалов”

цикла подготовки магистров по направлению

150100. 68 «Материаловедение и технологии материалов», магистерская программа «Наноструктурные материалы и покрытия

в нефтедобывающем машиностроении»

1.  СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

Модуль 1 - Наночастицы, наноструктуры и наноматериалы

Тема 1. Предмет и задачи изучения дисциплины: основные понятия, термины и определения, история, анализ состояния и перспективы развития наноматериалов.

Тема 2. Классификация нанообъектов.

Нульмерные, одномерные, двумерные, трехмерные структуры. Квантовые точки, квантовые проволоки и квантовые ямы.

Тема 3. Нанообъекты в твердом веществе, в жидкостях и газах.

Металлические и молекулярные кластеры. Супрамолекулярные структуры. Коллоидные кластеры и наноструктуры. Нанокристаллы. Тонкие пленки. Углеродные наноматериалы. Нанокомпозитные материалы. Биологические наноматериалы.

Модуль 2 - Общая характеристика наносостояния

Тема 4. Особые свойства нанообъектов и наноструктурированных систем.

Физические свойства нанообъектов. Химические и биологические свойства нанобъектов.

Тема 5. Особенности наноструктуры.

Структура поверхности и межфазных границ. Роль межфазных границ в формировании свойств наноматериалов. Микроструктура компактных нанокристаллических материалов. Особенности структуры субмикрокристаллических металлов. Наноструктура неупорядоченных систем. Структура углеродных наноматериалов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Тема 6. Зависимость свойств от размера частиц.

Общая характеристика. Размерные эффекты квантовых наноструктур.

Тема 7. Электронные свойства наночастиц.

Электронные состояния для трехмерных, двумерных, одномерных и нульмерных структур. Магические числа. Модель желе.

Тема 8. Равновесие в наносистемах.

Квазиравновесие в наносистемах. Устойчивость нанообъектов.

Тема 9. Особенности процессов консолидации наночастиц.

Поведение наночастиц при прессовании. Поведение наночастиц при спекании. Кинетика спекания наночастиц. Механизмы массопереноса при спекании наночастиц. Жидкофазное спекание. Начальная стадия спекания наночастиц.

Модуль 3 - Физические, химические, биологические свойства нанообъектов

Тема 10. Свойства наночастиц.

Структурные и фазовые превращения. Период решетки. Фононный спектр и теплоемкость. Магнитные и оптические свойства наночастиц. Реакционная способность наночастиц. Биологические свойства наночастиц.

Тема 11. Свойства фуллеренов.

Физические свойства фуллеренов. Химия фуллеренов. Фуллерит. Эндоэдральные комплексы. Наноалмазы.

Тема 12. Свойства углеродных и неорганических нанотрубок, нанопроволок.

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.

Тема 13. Свойства компактных наноматериалов и аморфных неорганических наноструктур.

Размерная зависимость механических свойств наноматериалов. Вязкость разрушения и особенности деформации наноматериалов. Сверхпластичность наноматериалов. Магнитные свойства нанокристаллических материалов. Магниторезистивный и магнитокалорический эффекты. Теплофизические и электрические свойства.

Тема 14. Свойства неорганических и органических композиционных материалов.

Нанокомпозиты полимер-неорганическая наночастица. Наночастицы в неорганических матрицах.

Тема 15. Свойства нанопористых тел и молекулярных сит.

Органические и неорганические мембраны. Цеолиты. Пористый кремний.

Тема 16. Свойства тонких пленок и поверхностных слоев. Полупроводниковые и сенсорные свойства. Твердость.

Тема 17. Свойства мицеллярных систем и микроэмульсий

Оптические и электронные свойства коллоидных кластеров. Ферромагнитные жидкости.

Модуль 4 - Сложившиеся и перспективные области применения наноматериалов в различных отраслях промышленности

Тема 18. Применение наноматериалов в промышленности.

Конструкционные и инструментальные наноматериалы. Наноматериалы триботехнического назначения.

Тема 19. Функциональные наноматериалы.

Пористые материалы и материалы со специальными физико-химическими свойствами. Наносенсоры. Фотоника. Устройства на квантовых точках. Материалы для наноэлектроники. Электронные механические системы (МЕМS). Водородные аккумуляторы. Магнитные наноматериалы.

Тема 20. Медицинские и биологические наноматериалы.

Наномедицина. Использование неорганических наноматериалов для диагностики, лечения и доставки лекарственных препаратов. Применение наноразмерных сред в биологических объектах.

ТЕЗАУРУС ДИСЦИПЛИНЫ «Физико-химия наночастиц и наноматериалов»

№ темы

Модуль

1

2

Модуль 1

1

Наноструктурные материалы, нанотехнология, наноматериалы, наночастицы, консолидированные наноматериалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены, тубулярные наноструктуры, катализаторы, нанопористые материалы, супрамолекулярные структуры, наносистемная техника.

2

Нульмерные, одномерные, двумерные, трехмерные наноструктуры. Квантовые точки, квантовые проволоки, квантовые ямы.

3

Металлические и молекулярные кластеры. Супрамолекулярные структуры. Коллоидные кластеры и наноструктуры. Нанокристаллы. Тонкие пленки. Углеродные наноматериалы: фуллерены, нанотрубки. Нанокомпозитные материалы. Биологические наноматериалы.

Модуль 2

4

Физические свойства нанообъектов: структурные и фазовые превращения, период решетки, фононный спектр и теплоемкость, магнитные и оптические свойства. Химические и биологические свойства нанобъектов.

5

Три типа касания зерен в поликристаллическом веществе: поверхность касания, линия касания, точка касания. Тройные стыки. Поверхность раздела как фактор, позволяющий существенно изменить свойства твердого тела путем модификации структуры и электронного строения. Дефекты границ раздела компактных наноматериалов. Структура материалов, полученных ИПД. Наноструктура неупорядоченных систем. Природа углеродной связи. Молекулярное строение фуллерена С60, С70 и др. Строение углеродных нанотрубок: вектор хиральности, структура «зиг-заг», «кресло».

6

Размерный эффект. Количество электронов и плотность состояний в зависимости от энергии для различных квантовых структур.

7

Магические числа. Модель желе.

8

Квазиравновесие в наносистемах. Термодинамическая (агрегативная) неустойчивость. Седиментационная неустойчивость. Фазовая неустойчивость. Поверхностная неустойчивость. Коагуляция. Коалесценция.

9

Поведение наночастиц при прессовании и спекании. Механизмы массопереноса при спекании наночастиц. Начальная стадия спекания наночастиц.

Модуль 3

10

Суперпарамагнетизм наночастиц. Вещество в однодоменном состоянии. Критический радиус однодоменности. Радиус абсолютной однодоменности. Критический радиус супепарамагнетизма. Экстинкция наночастицами. Размерные эффекты в химических процессах.

11

Электронная структура и сверхпроводимость металлофуллеренов. Магнетизм в фуллеридах. Реакционная способность фуллеренов. Фуллерит. Эндоэдральные соединения. Наноалмазы.

12

Одностенные и многостенные нанотрубки. Интеркалированные нанотрубки. Магнитосопротивление и сверхпроводимость 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.

13

Аномалии механического поведения. Закон Холла-Петча. Модели пластической деформации наноматериалов. Зернограничное проскальзывание. Демпфирующие свойства наноматериалов. Магниторезистивный и магнитокалорический эффекты. Теплоемкость, коэффициент термического расширения, удельное электросопротивление компактных наноматериалов. Свойства аморфных неорганических наноструктур.

14

Нанокомпозиты с сетчатой структурой. Слоистые нанокомпозиты на основе органоглин. Металлополимерные нанокомпозиты. Перколяция. Молекулярные композиты.

15

Трековые мембраны. Ионообменные мембраны. Керамические мембраны. Структура цеолитов. Цеолиты в катализе. Окислительно-восстановительные свойства молекулярных сит. Пористый кремний.

16

Сверхрешетки с переменным легированием. Сверхрешетки с переменным составом. Ширина запрещенной зоны. Полупроводниковые и сенсорные свойства. Износостойкие покрытия.

17

Прямые и обратные мицеллы. Применение мицеллярных систем и микроэмульсий для синтеза наночастиц. Оптические и электронные свойства коллоидных кластеров. Ферромагнитные жидкости.

Модуль 4

18

Конструкционные и инструментальные наноматериалы. Наноматериалы триботехнического назначения. Износостойкие покрытия.

19

Пористые материалы и материалы со специальными физико-химическими свойствами. Наносенсоры. Фотоника. Устройства на квантовых точках. Материалы для наноэлектроники. Электронные механические системы (МЕМS). Водородные аккумуляторы. Магнитные наноматериалы.

20

Наномедицина. Наноматериалы для диагностики, лечения и доставки лекарственных препаратов. Применение наноразмерных сред в биологических объектах.

Контрольные вопросы по учебной дисциплине

«Физико-химия наночастиц и наноматериалов»

№ модуля

№

темы

Содержание вопросов

1

1-3

1. Какие материалы можно отнести к наноструктурным?

2. Дайте определение понятия «нанотехнология».

3. Дайте определение понятия «наночастица».

4. Какие существуют разновидности наноматериалов?

5. Какие существуют подходы к классификации нанообъектов?

6. Какие нанообъекты относятся к нульмерным наноструктурам, объектам, одномерным наноструктурам, двумерным наноструктурам, трехмерным наноструктурам?

7. Дайте определение понятия «кластер».

8. Какие существуют разновидности кластеров?

9. Какие существуют терминологические подходы к понятию наноматериалов?

10. В чем состоит различие терминов «нанокластер» и «наночастица»?

2

4-9

1.  Каковы физические причины специфики свойств наноматериалов?

2.  Дайте характеристику основных типов структур по Гляйтеру.

3.  Как характеризуется кристаллическая структура наночастиц?

4.  Какие типы касания зерен существуют в поликристаллических веществах?

5.  Опишите основные виды дефектов границ раздела объемных нанокристаллических материалов.

6.  В чем состоит особенность структуры материалов, полученных ИПД?

7.  Дайте характеристику наноструктуры неупорядоченных систем.

8.  Каковы особенности поверхностей раздела в наноматериалах?

9.  Дайте определение понятия «вектор хиральности».

10.  Какой вектор хиральности имеют углеродные нанотрубки со структурой «кресло»?

11.  Какой вектор хиральности имеют углеродные нанотрубки со структурой «зиг-заг»?

12.  Дайте характеристику структуры фуллерена.

13.  Каковы особенности проявления размерных эффектов в наноматериалах?

14.  В чем заключается размерный эффект для квантовых наноструктур?

15.  Объясните существование так называемых «магических чисел».

16.  В чем состоят основные допущения модели «желе»?

17.  Какие особенности строения кластеров позволяет объяснить модель «желе»?

18.  В чем преимущества и недостатки модели «желе»?

19.  Перечислите основные факторы, влияющие на неравновесное состояние наноматериалов.

20.  В чем особенности поведения наночастиц при консолидации?

21.  Назовите основные механизмы массопереноса при спекании наночастиц.

22.  Опишите начальную стадию спекания наночастиц.

3

10-17

1.  Охарактеризуйте особенности фазовых превращений в наноструктурах.

2.  Как изменяются теплофизические характеристики наночастиц?

3.  В чем причина изменения параметров кристаллической решетки с уменьшением размера наночастиц?

4.  Как изменяются магнитные свойства диамагнитных наночастиц с уменьшением их размера?

5.  Как изменяются магнитные свойства ферромагнитных наночастиц с уменьшением их размера?

6.  Объясните природу явления суперпарамагнетизма.

7.  Как изменяются оптические свойства наночастиц металлов?

8.  Как изменяются оптические свойства наночастиц полупроводников?

9.  Опишите размерные эффекты в химических процессах.

10.  Опишите физические свойства фуллеренов.

11.  В чем заключается особенность химических свойств фуллеренов?

12.  В чем отличие эндоэдральных и экзоэдральных фуллеренов?

13.  Характеризуйте физические свойства углеродных нанотрубок.

14.  В чем заключается особенность электронных свойств углеродных нанотрубок?

15.  Как можно модифицировать свойства углеродных нанотрубок?

16.  Опишите размерную зависимость механических свойств компактных наноматериалов.

17.  В чем заключается особенность деформации компактных наноматериалов?

18.  В чем заключается особенность механических свойств наноматериалов, полученных ИПД?

19.  В чем заключается магниторезистивный эффект?

20.  Объясните природу явления магнитокалорического эффекта.

21.  Как изменяются теплофизические свойства объемных нанокристаллических наноматериалов с уменьшением размера зерен?

22.  Дайте характеристику свойств аморфных металлов.

23.  Опишите электрофизические свойства металлополимерных нанокомпозитов?

24.  Какое влияние на свойства материала оказывает введение углеродных нанотрубок?

25.  В чем отличие трековых мембран от ионообменных?

26.  В чем преимущества керамических мембран в сравнение с остальными видами?

27.  В чем состоит особенность свойств цеолитов?

28.  Дайте характеристику свойств пористого кремния?

29.  В чем отличие сверхрешеток с переменным легированием от сверхрешеток с переменным составом?

30.  Как изменяются полупроводниковые свойства в зависимости от вида тонких пленок?

31.  Какие вещества использую для получения износостойких покрытий?

32.  Как образуются мицеллы?

33.  Какими свойствами обладают коллоидные кластеры серебра?

4

18-20

1.Охарактеризуйте основные пути использования наноматериалов и нанотехнологий в машиностроении.

2. Опишите основные области применения нанопористых материалов?

3. Опишите основные области применения наночастиц.

4. Дайте характеристику наноматериалов, применяемых в фотонике.

5. Какими свойства обладает сплав Finemet?

6. Какие виды наноматериалов используют для изготовления наносенсоров?

7. Для изготовления каких устройств будут использовать квантовые точки?

8. Охарактеризуйте перспективы применения наноматериалов в электронике.

9. Охарактеризуйте перспективы применения углеродных нанотрубок?

10. Охарактеризуйте перспективы применения электронных механических систем (МЕМS).

11. Какие материалы перспективно использовать в качестве водородных аккумуляторов?

12. Расскажите о применении наноматериалов в биологии.

13. Расскажите о применении наноматериалов в медицине.

14. Расскажите о применении наноматериалов в сельском хозяйстве.