Что такое нанотехнология в контексте научно-технического направления?

Что такое нанотехнология в контексте научно-технического направления?

обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы макромасштаба.

 

Каковы особенности материалов нанометрового масштаба?

 

Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие наперед заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.

 

Какова современная классификация нанотехнологии?

 

В нанотехнологии выделеяют три направления: «мокрое», «сухое» и компьютерное. Под «мокрой» нанотехнологией понимают изучение биологических систем, которые существуют предпочтительно в водной среде и включают генетический материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и другие компоненты клеток. Такие структуры нанометрового размера, как известно, возникли и развиваются в результате эволюции организмов. «Сухая» нанотехнология берет начало от физической химии и науки о поверхностных явлениях, сосредоточена на получении структур из углерода (например, нанотрубки), кремния, различных металлов и вообще из неорганических материалов. Конечная ее цель – создание функциональных устройств, обладающих такой же способностью к самосборке, как и «мокрые» структуры, но без опоры на эволюцию. Компьютерная нанотехнология позволяет моделировать сложные молекулы и системы, вычислять их относительную устойчивость и предсказывать поведение. Для создания аналогов созданного природой за сотни миллионов лет требуется немалое время. Моделирование и расчеты позволяют резко – до нескольких десятилетий – сократить этот период.

 

Каковы особенности технологии наноматериалов как одного из направлений нанотехнологии?

Химические и физические свойства чистых твердых веществ не зависят от их массы и размера частиц. Например, растворимость висмута в меди при комнатной температуре имеет одно

значение. Температура плавления чистого железа имеет одно значение, температура фазового перехода чистого диоксида циркония из тетрагональной модификации в кубическую имеет одно значение, как и ширина запрещенной зоны чистого кремния. Это же касается многих других

свойств веществ. Однако при переходе к наночастицам свойства меняются. Важно также то, что при уменьшении размеров до нанометровых меняются электронные свойства веществ, их магнитные характеристики. Становится иной физическая сущность многих процессов переноса. Так, у

металлов переход к квантовым эффектам наблюдается при размере частиц 1–2 нм, у полупроводников – 50–100 нм. Это означает, что природа поставила предел на пути миниатюризации приборов современной микроэлектроники, что через несколько лет кремниевая электроника достигнет своего предела и что, если ставить целью дальнейшую миниатюризацию электронных

устройств, уже сейчас необходимо искать новые принципы их создания.

 

Каково назначение сферических устройств? Что собой представляет фронт ударных волн при сферическом нагружении?

Плоские и цилиндрические устройства сохранения имеют один принципиальный недостаток – эффекты боковой или торцевой разгрузки, искажающие одномерность сжатия. Сферическая система лишена этого недостатка.

 

Согласно расчетным оценкам в образце кварца диаметром 48 мм на фронте

сходящейся УВ реализуются на радиусе 1–2 мм давления 300–100 ГПа и

плотность энергии 30–10 кДж/г.

Увеличение размеров сферической системы позволяет получать те же

состояния на более высоких радиусах и увеличить длительность импульса

давления.

Фронт УВ при сферическом нагружении – сходящийся.

Наружная поверхность заряда синхронно инициируется специальной

инициирующей системой или многими электродетонаторами. В результате в

заряде создается сферически сходящаяся детонационная волна, а в капсуле и

в образце – сходящаяся УВ.

 

Как синтезируют новые материалы в ударной волне в системе металл – жидкость?

Измерения давления манганиновыми датчиками и изучение фазового состава поверхности позволили установить, что образование на поверхности пластин карбидов металла происходит при превышении давления в жидкости некоторой критической величины. Образование карбидов металла, например, на титановой пластине происходило при достижении давления в четыреххлористом углероде 13 ГПА, в глицерине – 13,6 ГПА, бензоле –14 ГПА.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что при действии косых ударных волн на поверхность металла через слой углеродосодержащих жидкостей на поверхности титановых, вольфрамовых и никелевых пластин образуются карбиды.

Каковы основы синтеза алмазных частиц при ударно-волновой обработке смесей графита с металлами?

С помощью ударно-волновой обработки смесей графита с металлами при давлении в ударной волне до нескольких десятков ГПа получают нанокристаллические алмазные порошки со средним размером частиц 4 нм.

 

22. К аковы отличия детонации конденсированных взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом?

конденсированные взрывчатые вещества с отрицательным кислородным балансом, т. е. разлагающиеся с выделением свободного углерода, из которого и образуется алмазная фаза.

Синтезированный алмазный порошок образуется в зоне химического разложения за время не более 0,4 мкс и состоит из компактных кубических частиц со средним размером около 4 нм. Использование более мощных взрывчатых веществ позволяет получить более крупные – до 1 мкм – частицы алмаза. Давления в сотни тысяч атмосфер и температуры до нескольких тысяч градусов, характеризующие детонационный процесс, соответствуют области термодинамической устойчивости алмазной фазы на Р–T -диаграмме возможных состояний углерода (рис. 5.1), поэтому применение детонационного метода для синтеза алмаза в динамических условиях вполне

естественно. Вместе с тем надо иметь в виду, что при малом времени существования высоких давлений и температур, необходимых для образования алмаза, важное значение принадлежит кинетике образования и роста зародышей алмазной фазы. Подтверждением этого является, например, взрывное разложение тринитротолуола, при котором выделяется максимальное количество свободного углерода и параметры детонационной волны в плоскости Чепмена – Жуге (Р ~18 ГПа, T = 3500 К), когда химическая реакция уже практически закончилась, соответствуют области устойчивости алмазной фазы (рис. 5.1). Однако детонация тринитротолуола не дает заметного выхода алмазной фазы [6]. Для достижения заметного выхода алмазного порошка при детонации взрывчатых веществ потребовались более мощные составы, благодаря чему удалось повысить создаваемые ударной волной давление и температуру. Обычно для получения ультрадисперсных алмазных порошков используют смеси тринитротолуола и гексогена в соотношении по массе 50:50 или 60:40 [6, 7]. Для этих смесей давление и температура в

детонационной волне составляют P > 15 ГПа и Т > 3000 К.

Какие стадии выделяют в процессе детонационного синтеза алмазных частиц?

1. Слой исходного в е щества подвергается ударно-волново м у воздействию от контактного заряда ВВ.

2. В ударной волне происходит сжа т ие и прогрев в ы сокопористого металла или же протекание реакции разложения исходного соединения до оксида с последующей стабилизацией оксидных фаз.

3. После выхода ударной волны на свободную поверхность исходного вещества, материал разлетается в газовую атмосферу взрывной камеры.

В чем заключаются особенности спекания ультрадисперсного алмазного порошка (УДА)?

Для спекания УДА, кроме выбора оптимальных условий спекания, решающим является тщательная предварительная подготовка УДА: очистка поверхности, уплотнение, гранулирование. Можно проводить спекание УДА в два приема: 1) предварительное частичное спекание кластеров УДА в процессе термической очистки и гранулирования и 2) жидкофазное ударно-волновое спекание при давлении достижения беспористого состояния с максимально возможной длительностью разгрузки и с охлаждением гранул окружающим металлом.

 

А. Искусственные.

1. Получение металлов по схеме испарение-конденсация.

2. Плазмохимические методы.

3. Химические методы.

4. Взрывающиеся проволочки.

5. Ударно-волновые методы.

6. Детонационные методы.

Б. Техногенные.

1. Заводские металлургические процессы.

2. Производства, использующие мельницы.

В. Природные.

1. Вулканическая деятельность.

2. Ветровая эрозия.

 

Что такое нанотехнология в контексте научно-технического направления?

обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы макромасштаба.