1

Перспективные неорганические материалы со специальными функциями

Курс "Перспективные материалы со специальными функциями" завершает обязательную часть подготовки студентов, специализирующихся в области фундаментального материаловедения. Программа курса составлена с учетом того, что значительную часть слушателей составляют студенты 5 курса, для которых предполагается знакомство с механико-математическими и физико-химическими предметами в объеме учебных программ соответствующих дисциплин, включая курсы по материаловедению. Курс "Перспективные неорганические материалы со специальными функциями" начинается с систематики и принципов дизайна функциональных неорганических материалов. Далее следуют лекции, посвященные дисперсным и ультрадисперсным материалам, стеклообразным и аморфным материалам, синтетическим кристаллам и наноструктурам. Основную часть курса составляет рассмотрение различных функциональных неорганических материалов, включая новые поколения полупроводников, диэлектриков, магнитных и оптических материалов, твердых электролитов, высокотемпературных сверхпроводников, биоматериалов и мембран. Курс завершается лекциями, посвященными функционально градиентным, т.н. интеллектуальным и фронтальным материалам. Курс рассчитан на 36 часов аудиторных занятий и включает лекции, семинары и контрольные работы. Специфика настоящего курса предполагают, что наряду с учебными пособиями, предоставленными в списке рекомендованной литературы, студенты будут регулярно знакомиться с доступными им периодическими изданиями, включая журналы "Неорганические материалы", "Материаловедение", "Journal of Materials Chemistry", "Journal of Materials Research", Journal of Solid State Chemistry", "Ceramics International", "Advanced Materials" и "Materials Today".

Программа курса: "Перспективные неорганические материалы со специальными функциями"

1. Введение

Вещество, фаза, материал. Нелинейность отклика и свойств фаз в создании "умных" материалов. Структурная иерархия материалов. Классификация дефектов, поликристаллы - микроструктура, кристаллическая структура, домены, текстура, структура дефектов, точечные дефекты, протяженные дефекты, границы раздела, поры, структуры кристаллографического сдвига, дефекты упаковки, взаимодействие дефектов, квазихимия, изо- и гетеровалентные замещения, аппроксимации Броуэра.

Материалы: прошлое и настоящее. Тенденции развития современного материаловедения. Важнейшие проблемы науки о материалах на ближайшее и более отдаленное будущее. Национальные и международные программы создания новых поколений материалов. Конструкционные и функциональные материалы. Различные принципы классификации (функциональных) материалов. Типы (функциональных) материалов (по составу, структуре, свойствам и областям применения, многофункциональные материалы). Физико-химические принципы конструирования новых материалов. Особенности создания материалов на основе диссипативных структур (открытые системы, диссипативные структуры, хаос. Принцип Кюри, соотношения Онсагера.)

2. Наносистемы

Образование новой фазы. Зародышеобразование. Спинодальный распад. Кинетика роста зародышей. Формирование ультрадисперсных систем. Кластеры. Эволюция от молекул к материалам.

Наноструктуры, нанокомпозиты и нанореакторы. Мезопористые структуры, СДГ, аэрогели. Материалы для микроэлектромеханических систем (MEMS). Традиционнные и современные технологии получения ультрадисперсных материалов (методы химической гомогенизации, неравновесные методы, методы, основанные на синергетике химического и физического воздействия, механические и физико-химические процессы диспергирования и смешения порошков.)

3. Стекло и аморфные материалы

Аморфное состояние и различные определения стекла. Термодинамика процесса стеклования. Механизмы стеклообразования и расстекловывания, стеклокерамика. Эмпирические правила классификации компонентов стекол (Захариасена и пр.). Структура силикатных и боратных стекол. Аморфные металлы и металлические стекла. Стеклоуглерод. Высокочистые стекла для световодов. Фотохромные стекла. Аморфные полупроводники (ксерокс). Художественное (окрашенное) стекло.

4. Тонкие пленки и покрытия

Особые свойства веществ в виде тонких пленок, пленка как композит. Механизмы осаждения и роста. Эпитаксия. PVD, CVD, MOCVD, RABiTS, жидкофазная эпитаксия, золь-гель, spin-coating, технология Лэнгмюра-Блоджетт, самособирающиеся слои, графоэпитаксия. Гетероструктуры с участием пьезоэлектриков, сверхпроводящих купратов и манганитов с гиганским магнитным сопротивлением. Методы получения толстых пленок и покрытий.

5. Синтетические кристаллы

Основные характеристики кристаллического вещества: однородность, анизотропия, способность самоограняться, симметрия. Связь процессов кристаллизации с фазовыми диаграммами. Метастабильная и лабильная зоны роста. Механизмы атомно-молекулярных процессов кристаллизации. Молекулярно-кинетическая теория Косселя-Странского, спиралевидный рост кристаллов (Франк-Кабрера), террасы, островковый рост, нормальный рост. Зависимости скорости и механизма роста от величины пересыщения.

Дефекты кристаллов, их влияние на скорости роста граней кристаллов. Энергетические и диффузионные процессы на границе раздела кристалл-ростовая среда. Анизотропия роста, термодинамический и кинетический контроль.

Основные методы выращивания кристаллов - спонтанная кристаллизация, Бриджмена - Стокбаргера, Киррополуса, Чохральского, Вернейля, Степанова и пр., массовая кристаллизация, рост из газовой фазы и расплава. Гидротермальный рост кварца. Вискеры. Иглы АСМ (Si). Вискеры ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8.

6. Керамика и композиты

Структура керамики. Описание, энергетические вклады поверхности и объема. Классификация керамических материалов. Керамические материалы с диэлектрическими, магнитными, оптическими, химическими и ядерными функциями. Художественная керамика.

Стадии получения керамики. Подготовка порошка (и методы получения порошков), гранулометрические характеристики, роль среднего размера и активности поверхности, бимодальные функции распределения гранул по размеру. Роль пластификаторов. Прессование, кривая прессования, методы прессования (одноосное, изостатическое, горячее и др.). Механизмы спекания (Френкеля, Пинеса), элементарные процессы переноса вещества (различные варианты диффузионного переноса), стадии спекания (припекание, открытая, закрытая пористость, первичная кристаллизация, собирательная рекристаллизация, аномальный рост зерен). Методы спекания. Шликерное литье. Пенокерамика. Перспективные керамические композиты (трансформационное упрочнение ZrO2, керметы, ВТСП).

7. Диэлектрики

Основные свойства диэлектриков. Важнейшие диэлектрические характеристики материалов. Основные типы диэлектриков. Кристаллические структуры диэлектриков. Сегнето-, пьезо- и пироэлектрики на основе солей и сложных оксидов. Доменная структура и петля гистерезиса. Практическое применение диэлектриков. Устройства хранения информации на основе диэлектриков.

8. Полупроводники и светоизлучающие элементы

Основные типы полупроводниковых материалов. Определения, зонная теория, собственная и примесная проводимости. Химический состав, аморфные полупроводники. Кристаллические структуры основных полупроводниковых материалов. Термоэлектрические явления. Принцип действия основных полупроводниковых устройств (диод, транзистор, термистор, фотоэлемент, СИЭ, лазер, преобразование солнечной энергии). Основные технологические процессы в полупроводниковой технике. Квантовые точки. Проблемы и тенденции в современной химии и технологии полупроводников. Фотонные кристаллы.

9. Суперионики

Определения. Классические суперионики (AgJ vs NaCl, ?-глинозем, голландит). Кристаллохимические критерии возникновения суперионного состояния твердых тел. Важнейшие типы анионных и катионных проводников на основе галогенидов, халькогенидов, пниктогенидов и фосфатов. Новые типы оксидных ионных проводников (со структурами дефектного флюорита, браумиерита, фаз Ауривиллиуса и др.) Дисперсоиды. Электронно-ионные проводники. Катодные и анодные материалы литиевых батарей (на основе кобальтитов, манганитов и никелатов лития) Протонные проводники на основе церрата бария. Применение твердых электролитов (в химических источниках тока, в сенсорных системах и гальванических цепях, предназначенных для изучения термодинамики твердофазных реакций.) Мембранные материалы.

10. Сверхпроводники

История открытия основных видов ВТСП. Особенности кристаллохимии высокотемпературных сверхпроводников, полиэдрическое описание и локальная структура. Особенности физических свойств. Критические параметры ВТСП, слабые связи, пиннинг.

Методы получения. Методы получения объемных ВТСП материалов: твердофазный синтез, кристаллизация из перитектического расплава RBa2Cu3O7-x и Bi-содержащих ВТСП, особенности микроструктуры. Методы получения тонких пленок, их структура и свойства. Рост кристаллов, кристаллизация из перитектического распада. Методы получения длинномерных ВТСП-материалов: ленты и провода в серебряной оболочке, пленки на битекстурированной металлической ленте.

Пути повышения критических характеристик ВТСП-материалов: оптимизация катионного состава и содержания кислорода, текстурирование путем термической и механической обработки, создание центров пиннинга. Повышение пиннинга магнитного потока путем создания нано- и микронеоднородностей в матрице сверхпроводника, нанокомпозиты. Области применения ВТСП-материалов (устройство SQUID-магнитометра, томографа, поезда на магнитной подушке, промышленных длинномерных сверхпроводников, ограничителей предельно-допустимого тока).

11. Магнитные материалы

Элементы теории магнетизма. Доменная структура и петля гистерезиса (ферро, ферри-, антиферромагнетики). Важнейшие типы магнитомягких и магнитожестких материалов. Магнитные металлы и сплавы типа альнико, SmCo5 и Fe-Nd-B. Пути повышения магнитной энергии сплавов, связанные с применением термической, термомеханической или радиационной обработки.

Кристаллическая структура ферромагнетиков. Магнитодиэлектрики типа ферритов со структурой шпинели, граната, магнетоплюмбита.

Материалы с колоссальным магнетосопротивлением (новые магнитоактивные композиты и материалы для магнитной записи, спинтроника).

12. Катализаторы

Основные требования, предъявляемые к гетерогенным катализаторам. Принципы создания материалов с высокой удельной поверхностью. Нанозернистые и мезопористые системы как носители вещества-катализатора. Высокодисперсные оксиды металлов для каталитического горения, дожигания продуктов сгорания. Оксид титана в фотодеградации отходов. Цеолиты.

13. Биоматериалы

Требования к материалам, используемым для протезирования. Классификация биокерамики по отношению к живой ткани (биоинертная, пористая, биоактивная, резорбируемая). Керамические материалы на основе Al2O3 и ZrO2, гидроксил- и фтораппатита. Биоактивная стеклокерамика. Механизм взаимодействия биокерамики с живой тканью. Гипертермия. Биоцементы. Материалы с эффектом памяти (нитинол). Биомиметика.

Хитозан - эффективный энтеросорбент, который обладает высокими сорбционными свойствами.

Медико-биологическая ценность хитозана обусловлена многообразием его физико-химических свойств.

Хитозан относится к классу пищевых волокон и обладает уникальной способностью связывать жиры и токсины в кишечнике, а затем выводить их из организма в неизменном виде. При этом до половины всего принятого с пищей жира покидает организм, не всосавшись, в то время как при использовании других пищевых волокон происходит выведение только до 5 % жира.

Хитозан впитывает жир в желудке прежде, чем тот начинает перевариваться и усваиваться. Работает хитозан следующим образом: под действием желудочного сока и воды хитозан превращается в гель, при воздействии которого жир дробится на мелкие капли и выводится из организма естественным путем. Одна молекула хитозана способна связать и вывести из организма жира в 10-12 раз больше своего молекулярного веса. Вот почему данный энтеросорбент рекомендуют в комплексные программы по снижению веса.

Способность хитозана сорбировать жироподобные вещества и токсины ( например, холестерин ), позволяет использовать его также в качестве профилактического средства при сердечно-сосудистых заболеваниях, сахарном диабете, интоксикациях и других случаях.

Хитозан - природный полисахарид ( пищевое волокно ), получаемый из панциря красноногого краба.

Долгое время пищевые волокна считались ненужным балластом, от которого старались освободить продукты питания для повышения их пищевой ценности.

Обогащение рациона питания хитозаном восстанавливает биологическое равновесие путем очищения организма и регуляции обменных процессов.

Хитозан снижает уровень холестерина в крови, насыщает сердечную мышцу энергией, укрепляет стенки кровеносных сосудов, снимает неприятные ощущения в области сердца.

Хитозан связывает и выводит из организма излишки желчных кислот, соли тяжелых металлов, радионуклиды, токсичные вещества, а также хитозан усиливает внутрикишечный синтез витаминов В1, В2, В3, РР и фолиевой кислоты.

Внутри организма хитин разлагается на шесть низкомолекулярных глюкозоминов, поэтому он может подавлять раковые клетки. Хитозан подавляет токсин раковых клеток, оживляет лимфатические клетки, способные уничтожить раковые клетки. Хитозан препятствует перемещению клеток, пораженных раком.

Механизм действия наиболее активной растворимой части хитозана:

При приеме внутрь, в отличие от большинства видов растительной клетчатки, под воздействием пищеварительных ферментов активная часть Хитозана расщепляется и всасывается в виде низкомолекулярных соединений. В организме человека хитозан оказывает следующее действие:

1. В процессе жизнедеятельности раковых клеток вокруг них создается более кислая среда, что препятствует активности клеток иммунной системы по идентификации и уничтожению измененных раковых клеток. Препарат подавляет размножение раковых клеток путем регуляции pH среды тканей организма в сторону слабощелочной - при которой активность Т-лимфоцитов наибольшая.

2. Препятствует метастазированию раковых клеток.

3. Адсорбирует недоокисленные продукты обмена злокачественных клеток, что является одной из составляющих раковой интоксикации.

4. Снижает артериальное давление путем регуляции уровня холестерина придотвращения развития атеросклероза.

5. Снижает уровень сахара в крови у больных с избыточным весом, то есть дейсвует как профилактическое средство при риске развития сахарного диабета.

6. Улучшает микроциркуляцию тканей, во-первых, действуя как чистильшик сосудов, во-вторых, снимая спазм в мельчайших капиллярах.

7. Повышает функциональную активность иммунной системы за счет активизации лимфоцитов.

8. Адсорбирует и выводит из организма соли тяжелых металлов, минеральные удобрения, химические красители, радионуклиды, лекарственные метаболиты и прочее.

9. Активизирует дренажные функции на уровне межклеточного пространства и лимфатической системы.

Основная литература

1. Абакумов А.М., Антипов Е.В., Ковба Л.М., Копнин Е.М., С.Н.Путилин, Р.В.Шпанченко. Успехи Химии, 64, 769 (1995)

2. Блейкмор Дж.. Физика тв.тела. Мир, Москва, 1988, 325 с.

3. Вест А. Химия твердого тела. М.: Мир, 1988, т.1,2. /Под. ред. Чернов А.А., Гиваргизов Е.И., Багдасаров Х.С., Кузнецов В.А., Л.Н.Демьянец, А.Н.Лобачев). Современная кристаллография. Т.1-4. М.: Наука, 1980

4. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. - М.: Химия, 1978.

5. Третьяков Ю.Д., Гудилин E.A.. Химические принципы получения металлоксидных сверхпроводников, Успехи Химии, 2000, т.69, н.1, с.3-40.

6. Третьяков Ю.Д., Лепис Х. Химия и технология твердофазных материалов. М.: МГУ, 1985.

7. Химия новых материалов. Тематический выпуск. Журнал ВХО им.Д.И.Менделеева, т.36, N6, 1991.

8. Швейкин Г.П., Губанов В.А., Фотиев А.А., Базуев Г.В., Евдокимов А.А.. Электронная структура и физико-химические свойства высокотемпературных сверхпроводников. М.: Наука, 1990.