Современные атомные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет бизнеса и управления

Кафедра управления промышленными предприятиями

Доклад

По дисциплине: Концепция современного естествознания

На тему: Современные атомные системы

Современные атомные системы

В настоящее время технология достигла критической точки своего развития, когда применение микрообъектов уже невозможно. Нужно переходить на новый - наноуровень. В связи с этим возникла необходимость получения транзисторов, проволок размерами примерно от 1 до 20 нанометров. В ХХ в. была найдено решение этой проблемы - открыты нанотрубки, фуллерены, нанокластеры. А с 1990г. научились получать их в объемах, достаточных для изучения.

В этой работе передо мной была поставлена задача рассмотреть некоторые их свойства и возможные методы применения.

Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные молекулярные структуры углерода в виде полого цилиндра, диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Они образуются при термическом распылении графитового анода в электрической дуге атмосферы. Нанотрубки состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Чтобы выяснить, какими свойствами обладают углеродные нанотрубки, ученым оставалось только изучать эти углеродные структуры и - Удивляться. А удивительного было много. Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могли быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Помимо этого, существуют нанотрубки с открытыми концами, которые проявляют капиллярный эффект - способность втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. С их помощью можно сформировать полупроводниковые переходы нанометровых размеров. Благодаря чрезвычайно малому диаметру нанотрубки, с ее помощью можно концентрировать электрическое поле, что вместе с высокой прочностью открывает возможность использовать их в качестве материала для зонда сканирующего микроскопа, тем самым повысить его разрешающую способность.

Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются!

Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками! Может ли какой-либо иной материал с таким простым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств, которыми обладают нанотрубки?!

Возможные применения углеродных нанотрубок.

Материалы на основе нанотрубок могут использоваться для изготовления электрочувствительных датчиков, гибких транзисторов, суперконденсаторов, добавок в полимеры, светодиодов, анодов в литиевых батареях, композитов, катодов холодной эмиссии электронов (например, для плоских матричных дисплеев), аккумуляторов водорода и других различных предметов.

Фуллерены

Фуллерены - новая разновидность многоатомных молекул углерода, открытая в результате экспериментального исследования структур кластеров. Молекула фуллеренов состоит из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Структура фуллерена представляет собой замкнутую поверхность сферы или сфероида, состоящую из правильных шести - и пятиугольников с атомами углерода в их вершинах. Число пятиугольников всегда равно 12, а число шестиугольников может быть различным. Наиболее устойчивой оказалась молекула с двадцатью шестиугольниками. За открытие фуллеренов английскому ученому Гарольду Крото и двум его американским коллегам -Роберту Керлу и Ричарду Смэллу - присуждена Нобелевская премия по химии в 1996 г. Это открытие, как иногда случается в науке, не было результатом целенаправленного поиска. К нему привели многолетние работы по исследованию кластеров и расшифровке спектральных линий поглощения межзвездного вещества.

В результате реакции присоединения водорода по ненасыщенным связям углерода при высоких давлениях и температурах можно создать фуллерены с исключительно высокой удельной емкостью по водороду, что представляет практический интерес при разработке эффективных аккумуляторов водорода. Фуллерены обладают высокой химической активностью и способны образовывать множество новых соединений с необычными свойствами. Химические соединения фуллеренов, в состав которых входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями, образуют трехмерный аналог ароматических веществ. Кристаллы фуллеренов - полупроводники с фотопроводимостью в видимой области спектра излучения. Легированные атомами щелочных металлов, фуллерены обладают сверхпроводимостью при температуре 18 - 40 К.

Применение фуллеренов

Использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 10 раз) снижает коэффициент трения металлических поверхностей и соответственно повышает срок службы деталей.

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых, так или иначе, используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается примерно на ?30 %. Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств. Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов, краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Так же фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

Нанокластеры занимают промежуточное положение между молекулярным и конденсированным состоянием вещества. Возникает вопрос: как много атомов необходимо собрать вместе, чтобы полученное образование обладало свойствами конденсированного вещества? Этот вопрос привлек внимание исследователей к изучению объектов, названных нанокластерами, состоящих из относительно небольшого количества атомов или молекул. Кластеры получаются при охлаждении газа в результате его расширения в сверхзвуковом сопле. Возможен и другой способ их получения: при взаимодействии сфокусированного источника энергии (лазерного луча, либо пучка заряженных частиц высокой энергии) с веществом, находящимся в конденсированном состоянии, образуется своеобразная среда, содержащая кластеры различных размеров.

Применение нанокластеров

Одной из важнейших областей применения нанокластеров является медицина, прежде всего - диагностика раковых опухолей. Характерное свойство нанокристаллов полупроводников - интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определённой частотой. Поскольку опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвлённая, нанокристаллики накапливаются в основном в них, и люминесценция пораженных участков существенно сильнее. Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Другой путь - активный - использует нанокластеры, химически связанные с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. В этом случае нанокластеры активно накапливаются именно в опухоли, фиксируя ее местоположение.

Разработан метод, в котором включение магнитного поля вызывает достаточно сильный разогрев активных нанокластеров, и связанные с ними раковые клетки погибают без вреда для здоровых клеток.

Кроме медицины нанокластеры получили широкое промышленное применение в производстве принципиально новых материалов и покрытий, парфюмерии.

Особый интерес представляет применение в парфюмерии и медицине наночастиц серебра и золота. Причиной является химическая инертность этих благородных металлов в массивных образцах и особенности их участия в обмене веществ в живом организме. Оказалось, что многие растения (люцерна, пшеница, овес), некоторые микроскопические грибки и бактерии, поглощая из внешней среды соли золота или серебра, накапливают их в виде нанокластеров. На первый взгляд, это противоречит стремлению наночастиц слипаться, но в живом организме они находятся в особых условиях. На различных биоматериалах было показано, что реакция организма существенно зависит от размеров частиц или шероховатости массивной поверхности. Так, макроскопический образец может восприниматься организмом нейтрально, а микро- и наночастицы - вызывать ракообразование.

Лист лотоса, покрытый «нанокочками», послужил образцом для создания самоочищающегося стекла: капли воды больше таких «нанопупырышек» и остаются лежать на них, не растекаясь по стеклу и не смачивая его. Внешне стекло остается прозрачным. Такое покрытие может быть также использовано в микроустройствах для уменьшения трения.

Заключение

углеродный нанотрубка фуллерен нанокластер

Таким образом, рассмотренные атомные системы: углеродные трубки, фуллерены и нанокластеры могут составить основу для синтеза новых перспективных материалов - материалов XXI века с уникальными физическими и химическими свойствами, которые во множество, раз улучшат все сферы жизнедеятельности человека. И хотя пока существует множество проблем и трудностей с получением и изучением физико-химических свойств, ясно одно - за нанотехнологиями будущее.

Размещено на Allbest.ru