Слепцов В.В. Наноматериалы и нанотехнологии. Курс лекций - файл nanotech_01.doc

Слепцов В.В. Наноматериалы и нанотехнологии. Курс лекций
скачать (2662.6 kb.)
Доступные файлы (3):
nanotech_01.doc383kb.25.04.2010 20:59скачать
nanotech_03.doc350kb.25.04.2010 20:59скачать
nanotech_full.doc2608kb.25.04.2010 20:58скачать

nanotech_01.doc

МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского
д.т.н., проф. Слепцов Владимир Владимирович


Курс лекций

«Физико–химические основы нанотехнологий».

Лекция 1.

Постановка задачи

В этом разделе мы ответим на три вопроса.

  1. Что такое нанотехнология и наноматериалы, предмет и объект изучения.

  2. Зачем изучать данный предмет.

3. Как его изучать.

Актуальность такого курса лекций связана с тем, что современные результаты по исследованию свойств наночастиц в физике, химии, биологии и других направлениях науки позволяют утверждать, что наука и технология 21 века будут иметь наноразмерный характер.

Все более отчетливо просматривается связь между наукой о материалах и наукой о жизни, об эволюции природы и естественно человека, как основы ноосферы по Вернадскому.

1. Предмет и объект исследования

1.1. Предмет исследования – Предмет науки о наноматериалах и нанотехнологиях называется нанонаукой или наукой о наноструктуре.

Нанонаука — система знаний, основанная на описании, объяснении и предсказании свойств материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов. Мы далее не будем употреблять термин нанонаука и заменим его термином наука о наноструктуре.

К сожалению, прогрессивное направление стало модным и многие традиционные разработки атомно-молекулярного уровня искусственно приобрели имидж «нано». Наряду с определенной конъюнктурой это определенно связано с тем, что терминологический базис данного направления жестко не определен [1].

Обратимся к важнейшему фактору – геометрическому размеру, который определяется приставкой «нано», входящей в ряд основных используемых официально документов и понятий: нанотехнология, наноматериалы и наносистемы.

Первоначально проанализируем смысловое значение наиболее употребляемых приставок, предназначенных для отражения десятичных долей единицы:

микро – от греч. mikros – малый – 10-6м

нано – от греч. nanos – карлик – 10-9м

Фактически приставка NANOS предназначена для отражения десятичной доли единицы соответствующей 10-9 м.

В периодической литературе представлен ряд определений базовых понятий с приставкой «нано», наиболее полно отражающих именно проявление функционально-системных свойств, а не только чисто геометрических особенностей [ ].

Наносистема — материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, гигантских эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Наноматериалы — вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнология — совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуре- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанодиагностика — совокупность специализированных методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.

Наносистемотехника — совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием квантово-размерных, кооперативно-синергетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.
Нанотехника — машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями.

Существуют и другие понятия и определения, относящиеся к нанотехнологии или науке о наноструктуре: нанохимия, нанофизика, нанофазные, наногибридные, нанокристаллические и наноразмерные материалы, конструкции, кристаллы, структуры с нанофазной геометрией и наноразмерной архитектурой, наноструктурированные органические сетки, дизайн на молекулярном и наноразмерном уровнях и т.д.. Мы остановимся на следующих терминах – наука о наночастицах, наноструктурах и нанотехнология.

Нанотехнология – область, исследующая свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, которые по крайней мере в одном суммарном размере менее 10нм(100А).

Рассмотрим нанотехнологию еще с двух, с нашей точки зрения, важных сторон:

  1. Самоорганизация.

Самоорганизация - целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства системы обнаруживают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив. Термин «самоорганизующаяся система» ввел английский кибернетик У.Р. Эшби (W.R. Ashby, 1947г.) [2].

В этой связи следует процитировать отрывок из доклада К.К. Бибрихера, Г. Николиса и Г. Шустера европейской комиссии: [3]

«Поддержание организации в природе не достигается (и не может быть достигнуто) управлением из единого центра; порядок может поддерживаться только с помощью самоорганизации. Самоорганизующиеся системы делают возможной адаптацию к превалирующей окружающей среде, т.е. реагируют на изменения в окружающей среде, и именно их термодинамический отклик делает такие системы чрезвычайно гибкими и устойчивыми к возмущениям внешних условий. Мы хотели бы подчеркнуть превосходство самоорганизующихся систем над традиционной человеческой технологией, старательно избегающей сложности и иерархически управляющей процессами. Например, в синтетической химии разные стадии реакции обычно тщательно отделены друг от друга, диффузию реагирующих веществ вообще можно не учитывать, поскольку происходит в реакторах с перемешиванием. Совершенно новая технология должна быть создана для того, чтобы использовать высокий потенциал управляемости и реагирования самоорганизующихся систем; это иллюстрируется биологическими системами способными создавать сложные продукты с непревзойденной точностью, эффективностью и скоростью.» [ ].


  1. Возникновение нового – или проблема становления.

На протяжении всей истории человеческой мысли постоянно существовал и существует сегодня один вопрос: как в природе возникает новое.

На этот вопрос разными способами пытались дать ответ мыслители всех времен и народов. Одни привлекали идею творца, Платон связывал разум и истину с доступом с доступом к «бытию», несуществующей реальностью, стоящей за «становлением». В «Софисте» Платон говорит о необходимости бытия, и становлении Я.

С подобной трудностью столкнулись и атомисты. Чтобы допустить возникновение нового, Лукрецию пришлось ввести понятие «клинамен» - это нечто возмущающее детерминистическое движение атомов в пустоте:

«Я бы желал, чтобы ты был

осведомлен здесь точно так же

Что, уносясь в пустоте

в направлении к низу отвесном,

Собственным весом тела

Изначальные в некое время

В месте неведомом нам

начинают слегка откланяться,

Так что едва и назвать

отклонением это возможно».

Обращение к «клинамену», т.е. случайности часто подвергалось критике. Но практически через две тысячи лет Ч. Дарвин в своем труде «Происхождение видов путем естественного отбора» поставил во главу угла случайные процессы. По Дарвину изменчивость (случай) служит основой новых признаков, а наследственность закрепляет эти признаки, которые в результате борьбы с окружающей средою за существование приводят к появлению нового вида. Такое же утверждение мы встречаем в работе Эйнштейна, посвященной самопроизвольному испусканию света возбужденным атомом, в которой говорится, что время и направление элементарных процессов определяется случайным образом.

Клинамен, изменчивость и спонтанное излучение света относятся к событиям, которые являются вероятностными процессами, которые определяют развитие и существование природы. Т.е. нанотехнология - это не что – то суперновое, придуманное гениальным ученым. Это технологические процессы, которые лежат в основе эволюции природы.

1.2.Объект изучения - наночастица, наноструктура.

Объектом исследования служит наночастица и наноструктура.

Цель раздела показать, что основное отличие наноматериала от других материалов определяется структурой.

Рассмотрим механизм появления наночастицы. Очевидно, что есть два способа получить наночастицу:

  1. Собрать её из более мелких составляющих, например, атомов или молекул.

  2. Измельчить более крупный монолитный материал до размера наночастицы.

На графике (рис.1) показаны оба варианта формирования наночастиц в координатах теплоемкость и размер частицы.



Мы знаем, что газ, пар – это материя, свойства которой, в основном, определяются взаимодействием этих атомов друг с другом. Газ – это агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (атомов, молекул) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействия между ними, в связи с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствии внешних полей весь представленный им объём [2].

Твердое тело – это агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положения равновесия. Различают кристаллические и аморфные твердые тела [4].

Свойства кристаллов зависят от электронного строения атомов и характера взаимодействия их в кристалле, от пространственного расположения частиц, химического состава . Все эти детали строения кристаллов описывает понятие «структура» [2].

Структура (от лат. Structura) – строение, расположение, порядок, совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е.сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменений.

Влияние структуры материала, имеющего один и тот же химический состав, представлено на рис.1. Из опыта мы знаем, что свойства газа, например теплоемкость, существенно отличается от свойств твердого тела. Эти данные всегда можно найти в соответствующем справочнике [5].

Наночастица, с соответствующей наноструктурой, должна иметь величину теплоемкости отличную от газа и твердого тела. Если наночастица является самостоятельным структурным уровнем, то изменение свойств при измельчении массивного материала или сборки её из более мелких составляющих должно идти по кривой 2 (рис.1). В этом случае должен быть некий критический размер наночастицы и соответствующая структура, отличающаяся от массивного твердого тела и газа – наноструктура. Наноструктура в этом случае является самостоятельным структурным уровнем.

Рассмотрим с этой позиции имеющиеся экспериментальные результаты [7,8,9].Было рассмотрено более 30 методов получения наночастиц металлов как за счет измельчения исходного монолитного материала, механических, биотехнологических процессов, так и за счет сборки из отдельных атомов.

Предметом изучения являлось определение минимального размера частицы получаемого данным конкретным методом.

Обобщенные результаты анализа распределения минимальных размеров устойчивых наноразмерных «первочастиц» по числу методов их получения представлены на рис. 2.



Рис.2. Распределение размеров минимальных устойчивых наноразмерных «первочастиц» по числу методов их получения.

Видно, что есть критический размер наночастиц и он лежит в диапазоне от 0,5 до 4 нм, а максимум порядка 1,5 нм


Рис.3 Изменение С при фазовом переходе серы (S) из твердого состояния в пар

Рис.4. Изменение Ср при фазовом переходе фосфора (Р) из твердого состояния в пар.
Если построить такие же зависимости для реальных материалов, имеющих в паровой фазе кластеры атомов, такие как фосфор и сера [ ] (рис. 3 и 4), видно, что есть существенное изменение свойств на наноструктурном уровне. Существуют данные для катализаторов на основе платины, говорящие о том, что для неё характерна такая же форма зависимости теплоемкости от размера частиц платины, а максимум теплоемкости совпадает с максимумом каталитической активности [10] Более подробно эти вопросы будут разбираться в соответствующих разделах.

Исходя из рис.3,4 и ряда других экспериментальных результатов, можно сказать, что структура массивного материала, структура газа и наноструктуры отличаются друг от друга. Наиболее широко распространено определение наноструктуры предложенное Г. Гляйтером [6] Наноструктурные материалы – это метастабильные системы, в которых характерный размер элемента структуры хотя бы в одном направлении не превышает 100 нм.

Однако, такое определение не проясняет физической природы отличия наноструктуры от структуры твердого тела или газа (т.е. когда атомы сильно взаимодействуют друг с другом и когда слабое взаимодействие).

Для понимания физической природы отличия наноструктуры от других энергетических уровней следует обратить внимание на факт существенного роста отношения величины поверхности к объему в наночастице с уменьшением её геометрических размеров.

Общим свойством поверхности или границы раздела двух поверхностей является наличие локальных уровней энергии, расположенных у самой поверхности, например, уровни Тамма, в результате чего образуется электрический заряд. В соответствии с законом сохранения заряда под поверхностью или над поверхностью (на другой границе раздела) появляется равный по величине и противоположный по знаку заряд. Возникновение таких слоев и объясняет влияние поверхности на равновесные свойства кристаллических материалов (сохранение носителей заряда в объеме полупроводника, металла и диэлектрика, электропроводность, работу выхода, контактную разность потенциалов) а также весь комплекс электрохимических свойств (наноэлектрохимия) [11-14].

Нарушение электронейтральности материала происходит, как мы это уже рассмотрели, при изменении размера материала. Теоретически размер, на котором происходит нарушение электронейтральности материи, вне зависимости от её состояния (газ, твердое тело, жидкость, плазма) определяется понятием длины экранирования или радиусом экранирования Дебая, который вычисляется по формуле [12]



где LD - радиус Дебая

 - диэлектрическая проницаемость

К – постоянная Больцмана

Т – температура в градусах Кельвина

n0 - концентрация носителей заряда

е – заряд электрона
Для полупроводников с большой концентрацией электронов

(n o?1015 см3 ) и ??10 расчет для комнатной температуры дает величину LD ?10-7м (100 нм). Для металла при тех же параметрах и концентрации электронов n o?1019 величина радиуса Дебая составляет 10-9м (1нм), что хорошо совпадает с данными рис.2

Если учесть, что силы электрического взаимодействия существенно превышают силы тяготения (FT/ Fэ =1/4,17∙1042 ) [14], то становится понятным откуда берется такая разница в величине теплоемкости у массивных материалов и наночастиц (Рис.3,4).

Такой подход , возможно, не дает необходимого обобщения в решении проблемы детальной классификации наночастицы и наноструктуры, но дает некоторую физическую идею, следуя которой, можно классифицировать наноструктуру как вполне определенный структурный уровень. Следуя в русле изложенных выше соображений, можно сказать, что наноструктура является механизмом, обеспечивающим выполнение «великого» закона сохранения энергии, в части преобразования любого вида энергии в электрическую и наоборот.

В подтверждении этого положения следует сказать, что в зависимости от исследуемого размера (масштаба) материального объекта можно выделить разные структурные уровни, образующие определенную последовательность , или иерархию. Наиболее полно и наглядно этот вопрос рассмотрел В. Вайскопф при описании, так называемой, квантовой лестницы в строении материи [6,15]. Квантовая лестница представляет собой последовательность структурных состояний материи, реализуемых путем поэтапного увеличения (или уменьшения) передаваемой энергии. Структурные уровни не являются независимыми. Каждая структура более крупного масштаба включает в себя в той или иной степени характерные признаки всех нижележащих уровней. Таким образом, материал следует трактовать как сложную иерархическую систему. При определенном химическом составе только варьирование структуры дает возможность изменять свойства материала в широких пределах и добиваться их оптимального сочетания. Отсюда возникает концепция структурной инженерии материалов [6]. Кратко это направление в материаловедении формулируется как проектирование и технологическая реализация многоуровневой структуры материала, которая формирует заданный спектр энергетических характеристик, отвечающих некоторой оптимальной комбинации физических, механических и физико-химических свойств.

В этой концепции наноструктуре отводится доминирующая роль в рождении нового качества, нового свойства и в конечном случае новой информации. Так ,например, в справочнике приводится информация о свойствах алюминия в твердой, жидкой и паровой фазах. А если изучить весь спектр наночастиц и наноструктур на основе только алюминия, то диапазон его свойств и новых характеристик расширится по экспоненте.

Это относится и ко всем другим элементам, входящим в таблицу Менделеева. Открывая чисто умозрительно атом, Демокрит считал, что когда последний раз разделить пополам яблоко и получить частицу со свойствами отличными от яблока её можно назвать атомом. На самом деле, между не яблоком и атомом лежит целый мир, который называется наноструктурой.

Наука о нано и изучает мир структурных естественных и искусственных образований, которой расположен между атомным состоянием, жидкофазным и твердофазным состояниями материи.

Если сформулировать в одной фразе, в чем физико-химическая основа нанотехнологии и наноматериалов – это наноструктура, наночастица,это сильно неравновесные системы, которые имеют дальнодействующие корреляции, что определяет их более высокую энтальпию, в сравнении с равновесными материалами и возможность самоорганизации нелинейных явлений, находящихся как в стационарном так и в динамическом состояниях. Это означает с практической точки зрения получение самого широкого спектра новых функциональных и интеллектуальных материалов.
3. Зачем изучать науку о наноструктуре и наночастицах.

Изучить и освоить нанотехнологию и ее физико-химические основы необходимо не только и не столько с целью повышения материального качества жизни человечества, а с целью адекватно вписаться человечеству в процессы протекающие в природе.

Все естественные природные процессы протекают в соответствии с основными законами, известными как законы сохранения вещества и энергии (законы термодинамики).

Единственным звеном, функционирование которого не вписывается в эти фундаментальные законы, является человек и созданные им искусственные технологические циклы.

Вместо того, чтобы увеличивать порядок и тем самым снижать энтропийный фактор, современная цивилизация, находящаяся на достаточно низком технологическом уровне, его повышает.

Все формы жизни - это крошечные хранилища порядка, который поддерживается созданием океана беспорядка в окружающей их среде. Определяющей чертой любого развитого промышленного общества можно считать постоянно возрастающие масштабы использования ресурсов вещества и энергии высокого качества для поддержания порядка в организме человека, а также в более крупных хранилищах порядка, называемых цивилизациями. Значит, современные промышленно развитые сообщества повышают энтропию окружающей среды в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе человеческой истории.

Это - энтропийный капкан. Второй закон термодинамики гласит, что избежать увеличения энтропии окружающей среды нельзя, но можно попытаться сократить или свести к минимуму то количество энтропии, которое производим мы сами [16].

Единственным решением является такая организация жизнедеятельности человека, при которой она будет вписываться в естественные биогеохимические циклы.

Жизнь в рамках естественного круговорота веществ при современном уровне развития "постиндустриального" общества не возможна без совершенствования существующих технологий и создания поколения новых, "ресурсосберегающих" технологических циклов, ориентированных на максимальное соответствие основным фундаментальным законам развития природы

а. Основные характеристики развитых индустриальных обществ.

После первой мировой войны (1914-1918 гг.) началась интенсивная разработка более совершенных технологий производства товаров массового потребления. Так был создан фундамент современных развитых индустриальных обществ США, Европы, Японии и других передовых стран.

Развитые индустриальные общества характеризуются следующими особенностями:

б.Энергетические ресурсы, используемые человеком

Сегодня истинной ценностью в нашем мире обладают не деньги, а энергия, позволяющая получать все необходимое для поддержания жизнедеятельности человека, переводить вещества из одного состояния в другое, перемещать объекты и т.п.

Во всем мире используется менее 0,1 - ! % (по разным данным) поступающей к нам солнечной энергии различными способами эксплуатации возобновимых (включая энергию биомасс, энергию ветра, геотермальную и солнечную энергию) и невозобновимых ресурсов (рис 1.) [17]. Три четверти энергии, потребляемой в дополнение к первичной солнечной энергии, поступает, во-первых, от сжигания невозобновимого ископаемого топлива (нефти, угля, природного газа) при получении тепла и производстве электроэнергии, а во-вторых, от сжигания в двигателях внутреннего сгорания бензина, извлекаемого из сырой нефти. Источником

некоторого количества тепла является сжигание потенциально возобновляемой биомассы (дрова, навоз, отходы сельского хозяйства, мусор).

Небольшое количество электроэнергии дает использование падающей или текущей воды (гидроэнергии) и управляемая реакция ядерного деления.

Совсем ничтожное (менее 1 %) количество энергии дает использование внутреннего тепла земли (геотермальная энергия), а также той солнечной энергии в пассивных и активных системах, которая идет на отопление зданий и нагревание воды. Экономия всех видов энергии и повышение эффективности ее использования способствуют сбережению денежных средств, сохранению

невозобновимых ресурсов, как нефть, уголь, природный газ и уран, а также ослаблению негативных последствий использования энергии для окружающей среды.

Ядерная энергетика 6%

Нефть 30%

Рис. 5 Мировое потребление энергии





Сегодня наиболее богатая пятая часть человечества потребляет 58 % мировой энергии, в то время как на беднейшую пятую часть приходится менее 4 % (например, Индия, где проживает около 16 % всего населения Земли, расходует только около 1.5 % всей энергии). Соединенные Штаты, с их 5 % населения мира, потребляют почти одну четверть мирового производства энергии; а в расчете на душу населения там потребляется в 2 раза больше энергии, чем в Японии, и в 12 раз больше, чем в Китае [17].

Примерно половина населения мира использует дрова для отопления и приготовления пищи. Четверть мирового населения, проживающая в странах со средним уровнем экономического развития, вскоре может начать испытывать дефицит нефти, половина же населения планеты, живущая в развивающихся странах, уже столкнулась с нехваткой дров.

Вызывает опасение также тенденция постоянного возрастания потребления энергии. Так, например, в России, в соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» [18] предполагается возрастание производства энергии в 1,34 раза к 2010 году по сравнению с сегодняшним уровнем, и в 1.84 раза к 2020-му. Потребление тепла в стране за ближайшие 20 лет должно вырасти на 17-30 %. Возрастут соответственно и цены: на газ - в 2,5 раза к 2003 году и еще в 1.4 раза к 2005 году. Рост цен на газ

будет сопровождаться и удорожанием угля, хотя в меньшей степени. В результате, согласно «Энергетической стратегии», на первом этапе цены энергоносителей будут расти на 15-20 % в год без учета инфляции.

Таким образом, перед современным высокоиндустриальным обществом стоят задачи защиты окружающей среды и энергосбережения не в числе прочих, не менее важных задач повышения экономического уровня и благосостояния жизни, а они являются ключевыми проблемами, от решения которых зависит не только уровень, но и сам факт дальнейшего существования человечества на Земле.

По мнению академика Н.Н. Моисеева [19]. условием дальнейшего существования человечества является такая организация жизнедеятельности, при которой изменение параметров биосферы и. прежде всего, структуры круговорота веществ протекала столь медленно. чтобы общество оказалось способным адаптироваться к этим изменениям, найти необходимые технические, а также нравственные решения. Для своего выживания на Земле человечество должно однажды вписаться в практически стабильные биогеохимические циклы.

Но оказаться в «согласии» с природой вовсе не означает, что деятельность человека не должна изменять естественных циклов биосферы. Человек не только будет продолжать деформировать естественные циклы, но и создавать новые. Но такая преобразовательная деятельность человека должна быть согласована с временными масштабами, характерными для развития биосферных процессов.

Н.Н. Моисеев также приводит два аргумента для обоснования выше изложенной точки зрения:

Первый - жизнь в рамках естественного круговорота веществ потребует по меньшей степени десятикратного уменьшения суммарных потребностей человечества. Но смягчение этого требования и стремление поддержать современный уровень жизни даже при значительном сокращении населения планеты не может быть обеспечено без совершенствования технологий, то есть создания новых (но строго контролируемых) биосферных циклов, к чему в конечном итоге сводится любое новое технологическое решение. И не только самих циклов, но и той структуры отрицательных обратных связей, которая обеспечивала сохранение биосферы как целостной системы в течение почти четырех миллиардов лет.

Второй - всякая остановка (или даже замедление) научно-технических разработок может привести к деградации общества, к ослаблению его интеллектуального, творческого потенциала, что будет иметь тоже катастрофические последствия для рода человеческого.

Сейчас происходит переход к «высшим технологиям». Это энергосберегающие и сверхточные технологии, основанные на широком использовании современных и перспективных инновационных технологий. Переход к «высшим технологиям», например, нанотехнологиям требует высочайшего уровня квалификации рабочих и абсолютной технологической дисциплины. Эти обстоятельства меняют роль цивилизаций в дальнейшем развитии мира. До самого последнего времени евро-американская техногенная цивилизация была абсолютным лидером в развитии «планетарного сообщества». Однако, тихоокеанские традиционные цивилизации, признающие высшей ценностью человека качество выполняемой работы, могут в современных условиях изменить соотношение «цивилизационных потенциалов» Запада и Востока [20].

Наверх начинают выходить и уже выходят не те страны, которые производят наибольшее количество вооружений или извлекают наибольшее количество энергетических ресурсов. Передовые позиции вскоре окажутся у тех государств, которые способны выдвигать и использовать новые научные и технические идеи, производить качественно новый и совершенный технический продукт, необходимый обществу.

Поэтому уже сейчас нужно уделять внимание созданию перспективных технологий, отвечающих задачам экономии всех видов ресурсов [ресурсосберегающих), способных исключить угрозу жизни человека и техногенных катастроф [безопасных) и используемых для решения важнейших текущих и долгосрочных социально-экономических целей развития страны.

На сегодняшний день современные технологии не отвечают в полной мере поставленным задачам.

Пример из глобалистики. [21]

  1. Численность человечества 6.5 млрд.

  2. 85% сырья и энергетики потребляет золотой миллиард.

  3. На остальные 5.5 млрд. приходится 15% ресурсов.

Выхода из ситуации 2.

  1. «Правильно» делить имеющиеся ресурсы и продукты – создать «золотой миллиард».

  2. Повысить эффективность использования ресурсов как минимум в 10 раз.

Насколько возможно это повышение эффективности использования ресурсов дает сравнительный анализ природных технологий с технологиями, созданными человеком.

  1. Использование энергии. [21]

Человечество производит меньше 0.1% от того, что производит солнце. Если учесть, что энергия из космоса идет не только от солнца, то процент производства будет еще меньше.

Перспектива брать 1% от солнца вполне реальна, что и реализовано в природных технологиях.

  1. Эффективность использования ресурсов.[21]

Энергия. В природе 1кг листвы - 1Вт, в технологии человечества 1кг стали – 200-300Вт.

Материалы. 1г мышца человека производит работу адекватную 100г индукционного двигателя.

Видно, что природные технологии по всем параметрам минимум в 100 раз эффективнее, чем те, которые сегодня использует человечество.
Перспективные технологии должны не только удовлетворять перечисленным выше условиям, но и адаптировать имеющиеся технологии к созданию производства, отвечающего необходимым требованиям.

Как же оценить перспективность той или иной технологии. и существуют ли критерии создания новых технологий, которые будут удовлетворять необходимым условиям через десять и более лет?

По нашему мнению, ответы на эти вопросы необходимо искать в фундаментальных законах развития природы и общества, лежащих в основе существования и функционирования всех процессов в мире.

Основными из таких законов являются следующие:

1. Закон сохранения вещества

Ничто не исчезает бесследно. Закон сохранения вещества подразумевает. что всегда будет стоять проблема утилизации какого-то количества отходов - в противном случае мы не имеем права производить столько продукции, сколько производим в настоящее время, т.е. и природные и созданные человеком технологии должны обеспечивать круговорот веществ в природе..

2. Закон сохранения энергии (первый закон термодинамики)

3. Второй закон термодинамики, который говорит том, что нет ни одного процесса, в котором 100% исходной энергии в форме тепла превращалось бы в полезную продукцию.

В результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

Таким образом, при постоянстве количества энергии и вещества, существует единственный путь развития живой и неживой природы - круговорот веществ и энергии в природе. Также, для сохранения равновесия в природе любая технология должна состоять из систем замкнутых циклов, которые обеспечивают выполнение законов сохранения вещества и энергии (как круговорот веществ).

Оба закона термодинамики позволяют понять, как. оценивая получаемую из различных источников энергию, можно сократить потери путем повышения се эффективности. Например, лишь 16 % всей производимой энергии. которая поддерживает экономику Соединенных Штатов, прямо выполняет полезную работу или расходуется в процессе производства продуктов нефтехимии, из которых в свою очередь получают пластмассы, лекарства и многое другое [16]. Это означает, что в США теряется 84% производимой энергии. Около 41% этой энергии теряется неотвратимо при рассеянии тепла, согласно второму закону термодинамики. Но потери остальных 43 % можно было бы избежать.

Одним из путей сокращения потерь энергии и сбережения средств является повышение эффективности использования энергии, то есть увеличение доли общего количества энергии, затрачиваемой на прямое выполнение полезной работы за счет сокращения ее потерь на образование в теплоэнергетических системах низкокачественного, по существу бесполезного, тепла.

Также важным принципом является соответствие качества энергии поставленным задачам: нельзя использовать высококачественную энергию для выполнения тех задач, которую можно выполнить с помощью низкокачественной энергии.

I и II законы показывают, что продукт, необходимый для развития человеческого общества, должен в итоге появляться не за счет дополнительной энергии и материалов неизвестного происхождения, а образовываться в результате циклического процесса за счет изменения формы, энергии и материала, участвующих в технологическом процессе.

Поэтому критерием №1 новых наукоемких технологий является условие минимального нарушения окружающей среды. Ниже приводятся основные показатели, по которым можно сравнить природные и техногенные циклы.

в Основные критерии оценки технологий.

1. КПД (минимизация потерь материала и

энергии): М полез./М общ. -> мах.

Е полез./Е общ. -> max
КПД солнечной энергии: 66 % идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды в экосфере, преобразуется в энергию ветров и пр., а 34 % сразу же отражается в космос облаками, пылью, поверхностью Земли и пр. [1].

КПД индустрии развитых стран: 16 % [16 ].

2. Рециркуляция и вторичное использование материала и энергии

М возвр. / М потерь -> 1. Е возвр. / Е потерь ->1

У природных циклов 100 % рециркуляция. Пример: круговорот веществ в природе (круговороты газообразных веществ; и осадочные циклы)

Индустриально развитые страны:

Среднее значение - 35 % рециркуляции
(производственные отходы - рециркуляция 30-40 %, бытовой мусор - 8 %) [17]. Имеют место достижения по отдельным областям в некоторых странах,
например: 70% повторная переработка

упаковочного материала в Германии [17], 90 % -
повторная переработка отходов строительной
промышленности (кирпич, цемент) в

Нидерландах [17].

3. "Функциональная эффективность" - повышение
функциональных свойств изделия относительно
увеличения массы

Д функц. / Д массы -> max

Энергоемкость - отношение работы за цикл к массе:

Мышц животного - 100 у.е. (условных единиц) Индуктивного двигателя -1 у.е. [6]

4. Производительность

Энергия, поступающая на Землю от Солнца -1000 у.е.

Энергия, производимая человеком - 1 у.е. [6]

5. Экологический эффект

В = (Ml - М2) / (Ml + М2) -> 1

где: Ml - перерабатываемые отходы (вторичное использование или "безвредная" утилизация);

М2 - отходы с длительным сроком переработки или оказывающие вредное воздействие на окружающую среду в процессе утилизации;

(Ml + М2) = М отходов

В -> 1 - при минимальном воздействии на окружающую среду,

В < 0 - при отрицательном воздействии на окружающую среду.

В функционирующей природной системе не существует отходов (механизм пищевых цепей и т.д.).

Во всем мире повседневно используется около 70 000 различных синтетических химических веществ, около 35 000 из них вредны или потенциально вредны для человека и окружающей среды (т.е. вредное воздействие оказывают 50 % искусственно созданных веществ) [16].

Сравнение природных процессов и искусственно созданных человеком технологий по выше приведенным критериям продемонстрировано на рис. 2.



КПД Рецирк. Функц. эф. Произв. Экологичность

Природные циклы - Технологические циклы
Становится очевидным значительное

превосходство эффективности естественных природных процессов над передовыми технологиями высокоразвитых стран, что в первую очередь обусловлено двумя причинами:

1. Низкая эффективность технологических
циклов, созданных человеком

Если учесть, что КПД современного производства составляет 10-15 %, то десятикратное снижение потребностей человека может быть реально достигнуто за счет роста КПД процессов и повышения в несколько раз "функциональной эффективности" изделий.

2. Отсутствие замкнутости протекания процессов
(замкнутых циклов энергии и материалов по
сравнению с круговоротом веществ в природе)

Поэтому изучать науку о наноструктуре надо.

  1. Чтобы создать природосберегающее общество. Такое общество будет основываться на повышении эффективности использования энергии, рециркуляции и вторичном использовании ресурсов вещества. а также сокращении производства отходов и необязательного потребления ресурсов вещества.

  1. Для этого необходимо перейти к перспективным "постиндустриальным" технологиям связанным с возможностью получения максимального эффекта
    при минимальном воздействии на среду обитания,и которые обеспечивают
    минимальные затраты ресурсов для получения максимального функционального эффекта (т.е. работать должен каждый "атом", изменяемый или привносимый в технологическом процессе).

Критерии перспективных технологий

Потому что если это не будет происходить и человечество со своими законами и правилами развития будет стремиться только подчинить себе окружающий мир и не следовать тончайшим законам сохранения равновесия, существующим в природе, то на каком – то витке развития кто – то «не впишется» в поворот и останется один. Скорее всего в одиночестве останется природа без своей существенной части – человечества Как это уже было в истории Земли, например, с динозаврами, мамонтами и т.д..

.

3. Методы изучения.
Наука новая, а метод изучения мы выбираем самый традиционный. Он базируется на двух основах: [14]

  1. Атомная гипотеза – все тела состоят из атомов.

  2. Закон сохранения энергии.

Известный американский физик-теоретик, нобелевский лауреат, Р. Фейман высказал интересное мнение о градации научных знаний. Он сказал: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтожены и к грядущим поколениям живущих существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что – это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но что это меняет) все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать другому. В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения.» [14].

Трудно не согласиться с этой точкой зрения великого физика и положив ее в основу нашего исследования окружающего нас мира мы будем отвечать на вопрос - , как и чем наночастица принципиально отличается от макрочастицы, т.е. чем частица содержащая 100 – 1000 атомов отличается от частицы содержащей 109 и более атомов.

Основная информация, которую читатель должен усвоить в результате освоения курса лекций касается именно этих «притяжений» и «отталкиваний» атомов друг от друга. Эти взаимодействия в физике принято называть слабыми взаимодействиями. Их причина точно не установлена, но отношения сил тяготения к электрическим силам составляет следующую величину: [26]
Fт/Fэ= 1/(4.17*1042)

Fт – сила тяготения, Fэ – сила электрического взаимодействия

Полевые взаимодействия являются причиной появления структуры и других более дальнодействующих взаимодействий атомов и материальных частиц между собой.

Принципиальным отличием наночастицы от атомов и макрочастиц и является появление сил электрической природы. Именно на наноуровне в соответствии с уравнением Дебая появляется нарушение электронейтральности нейтральных атомов и макроматериалов, которое приводит к дальнодействующим корреляциям. Особенно эффективно эти корреляции проявляются в неравновесных процессах в которых радиус действия корреляции уже не ограничен короткодействующими мегамолекулярными силами, которые характерны для равновесных процессов. В результате ситуации которые не могут быть реализованы в равновесных состояниях становятся возможны в сильно неравновесном состоянии.

Другой нобелевский лауреат профессор Илья Пригожин показал, что в сильно неравновесных процессах изменения на уровне малых корреляций в начале процесса могут привести к существенным отличиям в конце процесса. При этом ему удалось продвинуться в понятии проблем времени, энтропии и в вопросах переменности и самореализации цели.[22].

Теперь следует сказать о методологии исследования, с помощью которой мы будем двигаться к своей цели.

В общем, научный метод предлагает следующие три составляющие – наблюдение, размышление и опыт или эксперимент. Конкретно, мы будем наблюдать за атомами, которые поглощают или выделяют энергию и смотреть, что в результате этого происходит. И размышления над результатами происходящих явлений приводит нас к вполне определенным заключениям.

Эти заключения и позволяют нам, доказательно ответить на вопрос чем наночастицы отличаются от макрочастиц и получить определенную сумму знаний для практического использования при синтезе новых наноматериалов и развитии перспективных нанотехнологий.

Остается ответить на вопрос, почему в качестве оператора действующего на атомы мы выбрали энергию. На этот вопрос хорошо ответил Р. Фейман(6). «Существует факт, или, если угодно, закон управляющий всеми явлениями природы, всем что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует, насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его – сохранение энергии. Он утверждает, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе.»[14]. Нам остается добавить, что хотя никто и не знает, что такое энергия, но измерять ее научились достаточно хорошо, практически для всех форм энергии – это фундамент науки о наноструктурах. Наноструктура – это один из механизмов, обеспечивающий выполнение этого закона при превращении любого другого вида энергии в электрическую и наоборот.

Кроме того, для всех систем существует такой параметр как температура, который достаточно точно регулирует обмен и трансформацию любой энергии в кинематическую энергию движения атомов.. Поэтому рассмотрим взаимодействие атомов друг с другом в координатах температура – энергия. [23, 24,25].

Температура и энергия.

Все вещества имеют способность увеличивать свою температуру при подводе энергии. Это общее свойство, которое установлено экспериментально. На рис.1 показано изменение одного моля H2O, как

функции количества теплоты при давлении в 1 атм.[26] Е кдж

Рис.6 Изменение температуры одного моля H2O как функция количества теплоты при давлении в 1 атм.

В точке плавления при поглощении тепла температура не меняется до тех пор, пока весь лед не расплавится. Чтобы расплавить 1 моль льда требуется фиксированное количество энергии в 6 кДж/моль. Затем температура возрастает вплоть до точки кипения, где она остается постоянной, пока вся вода не превращается в пар. На это уходит около 40 кДж.

Подробное изучение этой зависимости позволяет ответить на основные фундаментальные вопросы, определяющие физикохимический базис нанотехнологии и наноматериалов.

1.Чем принципиально отличаются наноструктурированные материалы-наноматериалы от других материалов.

2. Как наноструктура материала влияет на механические, электрические, оптические и другие свойства материалов.

3. За счет чего появляются принципиально новые свойства наноматериалов:

а). Одновременно сверх твердость и сверх пластичность.

б). Высокая химическая активность и рекордная химстойкость.

в). Уникальные магнитные, оптические, электрические свойства и биологические характеристики.

г). Безпрецендентные динамические характеристики, позволяющие создавать интеллектуальные наноматериалы и МЭМС структуры.

4. Как проявляются основные принципы нанотехнологии: нелинейность, синергетика, самоорганизация и системное использование обратных связей.

Для ответа на поставленный вопрос нам придется детально исследовать процесс накопления и трансформации энергии в материале. Это поистине захватывающие путешествие позволить проследить всю динамику преобразования исходной энергии и рассмотреть механизмы такого преобразования.

На этом пути мы постараемся соединить все старые достижения, относящиеся к классическим разделам науки, с самыми последними достижениями исследований в области нелинейных и самоорганизующихся процессов.

Самое прекрасное в науке это – возможность с помощью нового знания еще более глубоко и разносторонне взглянуть на, казалось бы, традиционные явления и процессы. И получить в результате новые возможности, а значит и новое качество науки.

Посмотрим на рис.6 и проведем краткий анализ этой зависимости:

1. Тела при подводе энергии ведут себя одинаково. Либо с увеличением энергии растет температура тела, либо скачком изменяется теплоемкость при фазовом переходе 1-го рода.

2.При фазовом переходе первого рода и в процессах нагрева температура является функцией состояния системы. Это утверждение некоторые называют нулевым законом термодинамики. Нулевой закон термодинамики можно сформулировать и другим образом: Если системы находятся в тепловом равновесии, то их температура одинакова. Данный факт установлен экспериментально и, на сегодняшний день, отсутствуют экспериментальные факты не подтверждающие это утверждение.

3. При фазовых переходах первого рода и в процессах нагрева внутренняя энергия является функцией состояния системы. Это утверждение называют первым законом термодинамики. Наиболее распространенная формулировка 1-го закона термодинамики: энергию можно переводить из одной формы в другую, но ее нельзя создать или уничтожить, и общее количество энергии в изолированной системе постоянно.

4. Энергия выделяющаяся и поглощающаяся в результате фазовых переходов, при заданных условиях и температуре, есть величина постоянная и являющаяся характеристикой данного материала. Этот процесс на рис.1 обозначен точками 1-2 и 3-4. Величину этой энергии, как и температуру, мы можем найти в соответствующем справочнике. Такие фазовые переходы называются фазовыми переходами первого рода. В результате фазового перехода меняется структура материала (газовая фаза, жидкая и твердая). Их основная характеристика заключается в том, что первые производные термодинамических потенциалов в точке перехода изменяются скачкообразно.

При изменении количества энергии, поглощаемой телом, происходит скачкообразный переход, связанный с изменением структуры вещества. Поэтому задача курса использовать эту зависимость для изучения наноструктурных переходов, как методологию исследования и показать, что структуру материала возможно оценивать с помощью суммы по состояниям, что позволяет использовать понятие энтропии, а точнее производство энтропии, введенное И. Пригожиным для рассмотрения эволюции структуры материала как в сторону роста энтропии, так и в сторону её уменьшения.

Литература

  1. В.В. Лучинин «Наноиндустрия – базис новой экономики» Петербургский журнал электроники, №3 , 2003 г.

2. Большой энциклопедический словарь под.ред. А.М. Прхорова

Москва «Большая Российская энциклопедия», Санкт-Петербург «Норинт», 1997 г.

  1. Biebricher C.F., Nicols G, Schuster P, „Self-Organization in the Physico-Chemical and Life Science.1994.Report on Review Studies.PSS 0396, Commission of the European Communities Directorate-General for Science,Research and Development

  2. Матераловедение. Учебник для технических вузов, ред.Б.Н. Арзамасов, Г.Г. Мухин, изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва 2001 г

5. Справочник «Физические величины» под. Ред.И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова изд. «Энергоатомиздат», Москва 1991 г.

6. Неорганическое материаловедение. Основы науки о материалах. Энциклопедическое издание под. Ред. Г.Г. Гнесина, В.В. Скорохода, изд. «Наукова думка», Киев 2008 г

7. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы М. «Физматлит» 2002 г.

8. М.Г. Мильвидский, В.В. Чалдышев Наноразмерные кластеры в полупроводниках – новый подход к формированию свойств материалов Обзор. Физика и техника полупроводников, 1998 г. т.32 №5, стр.517

9. А.Д. Плюгайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд «Наночастицы металлоа в полимерах», изд. «Химия», Москва, 2000 г.

10. Баранов А.М.

11.А. А. Щука Электроника, Изд-во БХВ–Петербург, Спб, 2005 г.

12. В.П. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников «Физика полупроводников», изд. «Наука», Москва, 1977 г

13. Г.Б. Сергеев «Нанохимия» изд. МГУ, Москва, 2003 г.

14. О.А. Петрий, Г.А. Цирлина «Электрохимия межфазных границ»

15. Вайскопф «Физика в двадцатом столетии», изд. «Атомиздат», Москва, 1977 г

16. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. М. «Прогресс», 1993 г.

17. Состояние мира 1999. Доклад института Worldwatch оразвитии по пути к устойчивому обществу. М.Изд-во МНЭПУ, 1997 г.

18. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года.

19. Моисеев Н.Н. Мировое сообщество и судьба России. М.Изд-во МНЭПУ, 1997 г.

20. Моисеев Н.Н. Как далеко до завтрашнего дня… Свободные размышления. 1917-1993 М. Изд-во МНЭПУ, 1997 г.

21. Глобалистика

22. И.Пригожин, И. Стенгерс «Время, хаос, квант, УРСЕ, Москва, 2003 г.

23.Ф. Даниэльс, Р. Олберти «Физическая химия», изд. «Мир», Москва, 1978 г

24. Я.И. Герасимов, В.П. Древин, Е.Н. Еремин, А.В. Киселев, В.П. Лебедев, Г.М. Панченков, А.И. Шлыгин «Курс физической химии», т.1, изд. «Химия», Москва, 1969

25. М.Х. Карапетьянц «Химическая термодинамика», изд. «Госхимиздат», Москва-Ленинград, 1953 г

26. И. Пригожин, Д. Кондепуди «Современная термодинамика.От тепловых двигателей до диссипативных структур», изд. «Мир», Москва, 2002 г.





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации