Программа «Инновационные технологии производства высокопрочных презиционных труб из нержавеющих сталей и сплавов на основе нанотехнологий» (стр. 1 )

ГОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России »

Программа «Инновационные технологии производства высокопрочных презиционных труб из нержавеющих сталей и сплавов на основе нанотехнологий»

Название дисциплины: Методы получения наноразмерных сплавов с заданными физико-механическими свойствами.

1.  Аннотация дисциплины.

Дисциплина развивает компетенции слушателей в области современных нанотехнологий, физико-химических процессов синтеза наноматериалов различных классов с заданными свойствами, возможностей и перспектив их практического использования. Она дает им в руки инструменты, позволяющие ориентироваться в большом потоке информации, касающейся нанотехнологий, критически оценивать реальность и приемлемость использования тех или иных технических предложений, идей. Современного специалиста, работающего в сфере использования нанотехнологий невозможно представить без соответствующих компетенций, основанных на научных фундаментальных знаниях и практических навыках.

.

Структура дисциплины.

Тематика лекционных занятий.

1. Введение в нанотехнологии.

2. Получение наноматериалов различных классов и возможности их применения.

3. Физико-химические основы получения оксидных материалов различными методами.

4. Механизм и кинетика образования твердофазных материалов.

5. Термодинамика и дефектная структура наноматериалов. Окисление металлов (окалинообразование).

6. Гетерогенные равновесия в оксидных и металлических системах.

Упражнения с использованием компьютерной техники.

1. Фомально-кинетический анализ твердофазных взаимодействий с использованием компьютеров.

Лабораторные работы.

1. Микроскопический анализ твердофазных материалов.

2. Анализ газовых сред.

Конспект лекции.

Наноматериалы и нанотехнологии – одно из самых приоритетных направлений науки и техники. Рассматривается предыстория нанотехнологического скачка или прорыва в технике – открытия и изобретения, предшествовавшие переходу на современный уровень технологий получения и использования наноматериалов (слайды 3, 6, 25). Слушателям дается представление о критическом рассмотрении вопросов реального использования наноматериалов. Рассматриваются как наноматериалы углеродные нанотрубки, фуллерены, фуллериты (слайды 4, 6), нанокомпозиты (слайд 44), крейзированые полимеры (слайд 38) и пр. Рассматриваются свойства однослойных углеродных нанотрубок УНТ в зависимости от их хиральности, возможность создания открытых и закрытых трубок и их возможное применение. Многослойные УНТ существуют в форме ”свитка”, “русской матрешки” или даже телескопической удочки. Конфигурация углеродных образований может быть похожей на спирали, луковицы и т. д. С углеродными нанотрубками связаны надежды на создание сверпрочных и легких материалов. Предполагается, что трос на основе УНТ будет способен связать напрямую космические станции или даже Луну с Землей посредством передвижения по нему своеобразных заатмосферных лифтов. Из УНТ можно будет изготавливать легкую суперпрочную и самовосстанавливающуюся броню (слайд 5). УНТ могут служить надежными контейнерами для хранения и доставки в нужное место микроколичеств различных веществ, селективными сорбентами и катализаторами. Понятно, что вышеназванные вещества могут быть биологически активными, а их применение медицинским. Микрокапсулированные антибиотики могут сделать одежду бактерицидной в случае получения травм или ранений. За счет наночастиц, обладающих магнетокалорическим эффектом, при их заданной локализации может быть реализована так называемая кратковременная гипертермия больного участка тела. При этом известно, что чаще всего раковые клетки гибнут в ходе нагрева на несколько десятых долей градуса раньше, чем здоровые. Важнейшим направлением биомедицинского применения нанотехнологий является ранняя диагностика различных заболеваний, в том числе, опухолей. УНТ могут изменять свои электрические свойства при введении внутрь различных допантов (например, атомов металлов или ионов) или при изменении их геометрии с использованием нанозондовых манипуляторов (слайды 12, 13). На основе УНТ и других наноматериалов могут быть созданы полупроводниковые, люминесцентные материалы для телевизионных экранов нового поколения, элементы памяти ЭВМ с невиданной плотностью записи (слайды 13, 19). Исследователи научились в принципе сортировать УНТ по длине или подравнивать их, выстраивать на поверхности стоймя пачки из УНТ и т. д. А кристаллы, образованные фуллеренами (фуллериты) вообще преподнесли ряд сюрпризов исследователям. При введении в них ионов щелочных металлов был достигнут эффект сверхпроводимости, а допирование таких кристаллов молекулами этилена впервые позволило создать “органические” магниты.

Интересным является получение наноматериалов путем так называемого темплатного синтеза, когда на жидкокристаллическую матрицу (вещество с вытянутыми молекулами, способными к упорядочению в жидкой среде) сорбируются неорганические вещества (слайд 44). Затем проводится удаление растворителя и выжигание органической основы. Возникают, в частности, неорганические нанотрубки с заданными размерами. Они могут служить как молекулярные сита для разделения компонентов жидких и газообразных сред. Нанодобавки можно использовать при получении композитных строительных материалов повышенной механической и термической прочности, заданным коэффициентом трения (бетонов, армированных конструкционных сплавов и т. д.).

Одним из перспективных направлений нанотехнологий является пленочное. Например, пленки поверхностно-активных веществ можно перенести с поверхности жидкости на твердую подложку, используя метод Ленгмюра-Блоджетт. Если подвести к таким пленкам электроды, то можно управлять оптическими свойствами пленок под действием электрического поля. Можно использовать их как прецизионные датчики и биосенсоры: пленки изменяют свои характеристики при взаимодействии с окружающей средой и биогенными молекулами. Крейзинг полимерных материалов – это еще одно из направлений нанотехнологии. Данное явление связано с образованием наноструктур в полимерных материалах под действием механических напряжений (например, при растяжении в жидкой среде, проникающей внутрь образующихся участков с пониженной плотностью). Полученные крейзы необходимо стабилизировать каким-либо образом, ведь они в принципе могут быть недостаточно устойчивы как многие наноструктуры, и стремятся к достижению равновесного состояния, т. е. превращаются в исходные компактные фазы. Далее крейзированные полимеры можно применять для получения композитных материалов с новыми оптическими, механическими свойствами, сорбентов, мембран.

Внимание уделено одноэлектронным наноустройствам, квантовым точкам, возможности создания сверхплотных матричных носителей информации, проведения управляемого наносинтеза химических структрур. Важное место в современных нанотехнологических разработках занимает идея создания и использования структур с так называемыми квантовыми точками (слайды 29-36). В качестве квантовых точек могут выступать островки полупроводниковых фаз на поверхности твердых носителей, размер островков настолько мал, что в их свойства существенный вклад вносят квантовые эффекты. Изменяя размеры кристаллических островков, можно влиять на их электронные свойства, например, управлять частотами электронных переходов или цветом люминесценции материалов. Это прямое проявление размерного эффекта – влияния размера частиц на свойства материала. Квантовые точки могут быть использованы для преобразования частот лазерного излучения, в медицине для визуализации патологических участков тканей, к которым квантовые точки могут присоединяться при помощи специальных пептидных молекул. Они перспективны также для создания компьютеров, основанных на новых квантовых принципах.

К материалам, рассматриваемым в рамках данной тематики, относятся также весьма перспективные соединения - нанокластерные полиоксометаллаты (слайды 21-23), имеющие структуру букиболов, ”наноежей”, тороидов и пр. с размерами молекулярных группировок ионного типа порядка 2-4 нм. Эти материалы имеют перспективы использования в качестве сенсорных, каталитических, биологически активных и т. д. В начале 90-х годов группа профессора Мюллера (Университет г. Билефельд, Германия) работала над изучением характеристик молибденовой сини и оптимизацией ее получения. Они смогли получить монокристалл и, используя ряд аналитических методов, доказать, что в ее состав могут входить поразительные молекулярные ансамбли – гигантские циклические полиоксомолибдаты размером 4 нм. Каждая молекула состояла из 154 атомов молибдена в окружении атомов кислорода. Потом были получены кольцевые кластеры со 176 и 248 атомами молибдена. Профессор Мюллер предположил, что связывание молибден-кислород строительных блоков различным образом приведет к «комбинационному взрыву материалов». Он показал, что такие структуры могут быть получены самосборкой в водных растворах легко контролируемым и изящным образом в восстановительной среде. Первый из молибденовых суперфуллеренов или «Кеплератов», как Мюллер называет их, проводя аналогию с космологией Кеплера, был создан в 1998 году. Он представлял из себя полую сферу из 132 атомов молибдена с внутренним кластером из 60 атомов расположенных как атомы в С60 букиболе. поверхности сферического вируса.

Позже билефельдская команда создала гигантский кластер, который они назвали наноежиком из-за его формы и внешнего слоя кислородных атомов направленных наружу подобно иголкам. Он содержит 368 атомов молибдена и имеет размер протеина. Он имеет внутреннюю полость 2.5 нм шириной и 4 нм длиной, содержащую 400 молекул воды. Эта богатая электронами структура имеет голубой цвет благодаря делокализации электронов. Такие структуры могут быть использованы как селективные катализаторы, подобные цеолитам или нанореакторам. Одна из современных задач нанотехнологии - имитировать молекулярное опознавание, которое характеризует биологическое регулирование. Хорошо растворимые кеплераты представляют из себя идеальную неорганическую модель для исследования связанных структурных и динамических изменений. Недавно, Мюллер и его команда синтезировали гигантский нанокластер на основе оксида молибдена со специально созданными порами. Эти наногубки созданы из пентагональных единиц связанных с различными связующими компонентами в форме [(5-ти угольники)12(связующие)30]. Пора, также как общий размер зависит от длины и заряда связующего компонента. Были получены сферические системы содержащие 20 пор, соответствующих кольцам Мо9О9 с диаметром 0.6 - 0.8 нм. Система с ее 12 пятиугольниками и Мо-Мо связями, образованными двумя октаэдрами MoO6 связанными через ребра, структурно является аналогом простейшего икосаэдриального вируса. Такие системы ведут себя аналогично простым клеточным откликам. Поры могут быть закрыты катионами подходящего размера и формы, в данном случае катионами гуанидина. Гуанидин интересен тем, что он используется в различных промышленных и фармацевтических процессах. Его функциональные группы встречаются в аминокислоте и могут рассматриваться в качестве приемника анионов. Другие кластеры, содержащие моноядерные кластеры, например железо(3+) или ванадий(4+) имеют более маленькие поры, из колец Mo6O6. Они имеют подходящий размер для захвата иона натрия, наподобии краунэфиров. Что действительно удивительно, так это то, что сближение пор вызывает изменения в структуре капли воды находящейся внутри кластера. Молекулы воды выстраиваются в высокосимметричные эндоэдральные кластеры. Этот эффект можно сравнить с сигнальной трансдукцией, с помощью которой клетка превращает внеклеточный сигнал в отклик. Более того, исследование внедренных ансамблей молекул воды может дать полезный инструмент в исследовании сложных водных фаз. Структура воды в биологических системах до сих пор не понята, но известно, что она имеет значение, например, для конформаций белка. Было выяснено, что молибденовые кластеры, полученные при изучении молибденовой сини, ведут себя необыкновенно разнообразно, и их поведение имеет отношение ко многим современным аспектам химических исследований: координационная химия, катализ, создание функциональных материалов, молекулярная электроника, инженерия кристалла, химия молекулы, нанохимия, моделирование поверхности, супрамолекулярная химия. Однако, уникально в этих сложных неорганических системах не только то, что они образуют бесконечное разнообразие структур, в которых форма и функция сильно коррелируют, но что наиболее важно, это стабильные гибкие макромолекулы, хорошо растворимые в воде и сохраняющие структуру и функциональность даже в мобильном состоянии, таким образом, химические реакции могут быть направлены в определенную сторону. Это значит, что полученные структуры хорошо подходят для имитирования биологических процессов.