Править] История. Взгляд изнутри углеродных нанотрубок

Взгляд изнутри углеродных нанотрубок

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «В том мире полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап — полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле — таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Вот как Р. Фейнман описал предполагаемый им манипулятор:

Я думаю о создании системы с электрическим управлением, в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т. д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки-манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой — от хирургических операций до транспортирования и переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определённом этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоёмкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн уменьшенных в 4000 раз станков (а следовательно, и масса используемых для изготовления материалов) будет составлять менее 2 % от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе, можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Всё, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов. Кроме того, существует ещё и проблема «слипания» материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (так называемые силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно «приклеиваться» к поверхности и т. д. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.^[3]

В ходе теоретического исследования данной возможности, появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «

Области применения наноматериалов очень обширны, т.к. они являются основой всего живого и не живого мира. Наиболее перспективными и стратегически важными на сегодняшний день являются следующие направления исследований:

Военно-промышленный комплекс
Не секрет что гонка вооружений не прекращается ни на минуту. Правительства всех стран стремятся усовершенствовать свою боевую мощь. Именно нанотехнологиям уделяется особый интерес, и тратятся огромные деньги.

Производство
В производстве наноразработки играют очень важную роль, например, покрытия металлорежущих инструментов, модифицированные наноалмазами, позволяют продлить срок службы в 4-5 раз, тем самым сократить колоссальные затраты.

Медицина
В медицине позволяют решать множество важных задач, наиболее приоритетные - поиск и создание лекарственных препаратов. Это особо актуально в наше время, когда появляются такие тяжелые заболевания, как птичий и свиной грипп, и др.

Компьютерная техника
В производстве компьютеров наноисследования имеют преимущественное значение. Сюда относится создание мощных процессоров и микросхем. Для изготовления лазерных компакт-дисков так же применяют новейшие технологии, в т.ч. полирование поверхности.

Дом и быт
В быту наноматериалы используются в строительстве (различные добавки к бетону), в фильтрах для очистки воды и воздуха, в солнечных батареях. Все это делает наши дома более удобными, надежными и безопасными.

Спорт
Сегодня для достижения мировых рекордов очень важно пользоваться современным спортивным инвентарем.

Здоровье
Лекарственные препараты состоящие из нанокомпонетнов эффективно борятся с самыми тяжелыми заболеваниями. Лекарства убивают микробов и разрушают опухоли. Новейшие разработки ждут революционных достижений в борьбе с раком.

Красота
Нанокосметика придает коже не только красоту и изящество, но и оказывает лечебное воздействие, путем проникновения микроэлементов в определенные слои кожи и доставки питательных веществ.

егодня мы еще довольно далеки от описанного Фейнманом микроробота, способного через кровеносную систему проникнуть внутрь сердца и произвести там операцию на клапане. Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

· Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями;

· Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);

· Микро- и нанокапсулы;

· Нанотехнологические сенсоры и анализаторы;

· Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;

· Наноинструменты и наноманипуляторы;

· Микро- и наноустройства различной степени автономности.

КЕРАМИКА (греч. keramike - гончарное искусство, от keramos - глина), неметаллич. материалы и изделия, получаемые спеканием глин или порошков неорг. в-в. По структуре керамику подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5-30%), и тонкую - с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой керамике относят мн. строит. керамич. материалы, напр. лицевой кирпич, к тонкой - фарфор, пьезо- и сегнетокерамику, ферриты, керметы, нек-рые огнеупоры и др., а также фаянс, полуфарфор, майолику. В особую группу выделяют т. наз. высокопористую керамику (пористость 30-90%), к к-рой обычно относят теплоизоляц. керамич. материалы. Типы керамики. В зависимости от хим. состава различают оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и др. керамикй. Оксидная керамика характеризуется высоким уд. электрич. сопротивлением (10¹¹-10 Ом^.см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислит. средах в широком интервале т-р; нек-рые виды - высокотемпературной сверхпроводимостью, напр. иттрий-бариевая керамика (см. Иттрии), а также высокой огнеупорностью. Среди оксидной керамики наиб. распространение получили: 1. Алюмосиликатная керамика на основе SiO₂-А1₂О₃ или каждого из этих оксидов в отдельности. Кремнеземистая керамика содержит более 80% SiO₂ и подразделяется на кварцевую и динасовую керамику. Первую изготовляют из кварцевого стекла или жильного кварца, вторую - спеканием кварцита в присут. Fe₂O₃ и Са(ОН)₂. Кварцевая керамика обладает высокой термич. и радиац. стойкостью, радиопрозрачностью, высокой кислотостойкостью и огнеупорностью. По мере увеличения содержания Аl₂О₃ в керамич. материалах увеличивается содержание муллита 3Al₂O₃^.2SiO₂, что способствует повышению прочности и термостойкости керамики, снижению ее кислотности. К керамике, содержащей ок. 28% Аl₂О₃, относят "полукислые" материалы (огнеупоры, фарфор, фаянс, гончарные изделия), а также каолиновую вату, теплоизоляц. материалы на ее основе, шамотные огнеупоры и др. Корундовая керамика, содержащая >90% Аl₂О₃, характеризуется высоким электрич. сопротивлением при т-рах до 1500°С, высокими пределами прочности при сжатии (3-4 ГПа) и изгибе (~ 1 ГПа). Из алюмосиликатной керамики изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космич. аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и мн. др. 2. Керамика на основе SiO₂ и др. оксидов. К этому типу материалов относят керамику состава SiO₂-Al₂O₃-MgO (кордиеритовая), ZrSiO₄ (цирконовая), SiO₂-Al₂O₃-Li₂O (сподуменовая), SiO₂-Al₂O₃ BaO (цельзиановая керамика). Для изготовления такой керамики обычно используют глину, каолин, тальк, карбонаты Ва, Li и Са, MgO, минералы эвкриптит, сподумен, петалит, ашарит, трепел, известняк. Применяют в произ-ве радиотехн. деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов азто- и авиасвечей и др. 3. Керамика на основе ТiO₂, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, a также керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К и Na. Такая керамика характеризуется высоким электрич. сопротивлением, высокой диэлектрич. проницаемостью и применяется в электронике и радиотехнике. 4. Керамика на основе MgO. Получают из магнезита, доломита, известняка, хромомагнезита, синтетич. MgO; в качестве добавок используют СаО, Сr₂О₃, Аl₂О₃. Магнезиальную керамику, содержащую 80% MgO, применяют для изготовления огнеупоров. Керамика из чистого MgO используют для произ-ва изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов. Магнезиально-известковую (содержит более 50% MgO, 10% СаО), магнезитохромовую (60% MgO, 5-18% Сг₂О₃), хромомагнезитовую (40-60% MgO, 15-30% Сг₂О₃) и хромитовую (40% MgO, 25% Сr₂О₃) керамику применяют для изготовления огнеупоров. Керамика из хромитов La и Y используют в качестве высокотемпературных электронагревателей (выдерживают нагрев до 1750 °С), работающих в окислит. среде. 5. Шпинельная керамика на основе ферритов гл. обр. Ni, Co, Мn, Са, Mg, Zn. Обладает, как правило, ферромагн. св-вами и способна образовывать твердые р-ры замещения. Применяют такую керамику для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и др. деталей в устройствах памяти и т. п. 6. Керамика на основе оксидов BeO, ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, UO₂. Химически стойка и термостойка. Так, керамика из ВеО (броммеллитовая керамика), полученная спеканием ВеО с добавками др. оксидов (ок. 0,5%), напр. Аl₂О₃, ZrO₂, обладает наиб. теплопроводностью среди керамич. материалов и способна рассеивать нейтроны. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов, напр. Pt, Be, Ti. В керамике из ZrO₂ обычно вводят стабилизаторы (Y₂O₃, СаО, MgO), образующие с ним твердые р-ры; применяют для изготовления высокотемпературных нагревателей, защитных обмазок, для изоляции индукторов высокочастотных печей и как конструкционную керамику. К карбидной керамике относят карборундовую керамику, а также материалы на основе карбидов Ti, Nb, W. Все виды такой керамики обладают высокой электро- и теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в бескислородной среде (керамика на основе SiC, к-рая устойчива до 1500 °С в окислит. средах). Карборундовую керамику изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si. Она имеет высокий предел прочности при сжатии. Карбидную керамику используют в качестве конструкц. материалов, огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателей электрич. печей и инструментов в металлообрабатывающей пром-сти (керамика на основе карбидов W, Ti, Nb). К нитридной керамике относят материалы на основе BN, A1N, Si₃N₄, (U, Pu)N, а также керамику, получаемую спеканием соед., содержащих Si, A1, О, N (по начальным буквам элементов, входящих в керамику, ее называют "сиалон"), или соед., содержащих Y, Zr, О и N. Изготовляют такую керамику спеканием порошков в атмосфере азота при давлении до 100 МПа, горячим прессованием при 1700-1900 °С. Керамику из Si₃N₄ получают реакц. спеканием порошка Si в среде N₂; в этом случае обычно образуется пористая керамика. Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрич. св-в, высокой мех. прочностью, термостойкостью, хим. стойкостью в разл. средах. Предел прочности при изгибе для керамики из BN составляет 75-80 МПа, для керамики из AlN-200-250 МПа, для керамики из Si₃N₄ - дo 1000 МПа. Керамич. нитридные материалы применяют для изготовления инструментов в металлообрабатывающей пром-сти, тиглей для плавки нек-рых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и др. Керамика из Si₃N₄ - конструкц. материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe. Среди силицидной керамики наиб. распространена керамика из дисилицида Мо. Она характеризуется малым электрич. сопротивлением (170-200 мкОм^.см), стойкостью в окислит, средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей. Изготовляется спеканием порошка MoSi₂ с добавками Y₂O₃ и др. оксидов. Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислит. средах. Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов нек-рых металлов изготовляют оптическую керамику, применяемую в ИК технике. При изготовлении керамики из глины и непластичного материала последний измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают в стругачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15-25% последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку, формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 25-45% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые пластмассовые и металлич. формы. При изготовлении техн. керамики литейный шликер приготовляют из непластичных порошков, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные в-ва (напр., парафин, воск), олеиновую к-ту и нек-рые ПАВ; изделия формуют всеми упомянутыми способами, в т.ч. вибропрессованием. Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения водорастворимой связки) или выжиганию орг. связки. Обжиг керамики. Сформованные изделия или предварительно спрессованные порошкообразные смеси исходных в-в подвергают обжигу - сложному процессу спекания, в результате к-рого создается материал определенного фазового состава и с заданными св-вами. Обжиг до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в спец. камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Т-ры обжига колеблются от 900 °С для строит. керамики до 2000 °С для огнеупорной керамики. Для получения плотной керамики с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакц. спекание. Обычно изделия после обжига готовы к использованию; нек-рые виды керамики дополнительно подвергают мех. обработке, металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса и др. видов тонкой керамики перед обжигом, как правило, покрывают глазурью, образующей при 1000-1400 °С стекловидный водо- и газонепроницаемый слой (см. Глазурь). Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварит. обжигу. При изготовлении теплоизоляц. керамики с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте к-рых образуются поры, или керамич. волокна из алюмосиликатов, из к-рых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т.п.

Керамика (др.-греч. κέραμος — глина) — изделия из неорганических материалов (например, глины) и их смесей с минеральными добавками, изготавливаемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением.^[1]

В узком смысле слово керамика обозначает глину, прошедшую обжиг.

Самая ранняя керамика использовалась как посуда из глины или из смесей её с другими материалами. В настоящее время керамика применяется как индустриальный материал (машиностроение, приборостроение, авиационная промышленность и др.), как строительный материал, художественный, как материал, широко используемый в медицине, науке. В XX столетии новые керамические материалы были созданы для использования в полупроводниковой индустрии и др. областях.

Современные высокотемпературные сверхпроводящие материалы также являются керамикой.