Принципы нанокавитроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы нанокавитроники

нанокавитроника технический каверна

Постановлением Правительства Российской Федерации от 29 января 2007 г. №54 утверждена ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА «НАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БАЗА» на 2007-2011 годы. Государственный заказчик-координатор Программы - Министерство промышленности и энергетики Российской Федерации.

Главная задача Программы - создание новых передовых технологий, перспективного научно-технологического задела для разработки наукоемкой продукции.

Одним из направлений работ, соответствующих духу Программы, является научная и производственная разработка базовых технологий для серийных изделий и систем кавитоники, строящихся с применением наноэлементов и наноструктур.

Кавитация есть процесс образования в жидкой среде полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Область науки, техники и производства, направленную на создание и использование различных полезных технологических эффектов кавитации, доктором-инженером Ю. Дитте (Германия) было предложено назвать «кавитоникой». Заметим, что, при всей обширности аспектов, технико-технологическую «кавитонику» следует считать разделом более широкой области знаний обо всей сути эффекта (явления) кавитации и о его применениях - «кавитаники».

Многолетние исследования и разработки творческих групп ИИФ РФ, относящиеся к кавитанике, кавитонике, а также к разнообразным кавитационно-ориентированным нанотехнологиям и системам на их основе, привели к выводу о целесообразности предложить системное выделение в кавитанике и кавитонике соответствующих направлений «нанокавитологии», связанной именно с нанообъектами: «нанокавитаники» и «нанокавитоники», а также особенных направлений - «кавитроники» и «нанокавитроники» (См. рис.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кавитроника - в области кавитоники научно-технический раздел по комплексному системному исследованию и использованию полезных технологических эффектов от управляемого взаимодействия объектов в макро- и мезообъемах элементов различных систем на основе комплементного применения регулируемых кавитационных, электропроизводных и других физико-технических процессов.

Объекты, состояние которых определяется ходом комплементной совокупности этих процессов, есть кавитроны.

Нанокавитроника - новое научно-техническое направление в области нанокавитоники по комплексному системному исследованию и использованию полезных технологических эффектов от управляемого взаимодействия нанообъектов в микрообъемах элементов различных систем на основе комплементного применения регулируемых кавитационных, электропроизводных и других процессов (понятие вводится впервые).

Объединительное понятие «нанокавитроника» позволяет дополнительно увидеть возможности дальнейшего целесообразного интегрирования усилий ученых и специалистов в сфере создания новых высоких технологий при производстве высокоэффективных систем различного назначения.

Нанокавитроника объединяет и расширяет возможности ряда известных перспективных научно-технических направлений: кибернетики, микроэлектроники, микромеханики, микросистемотехники, микроэнергетики, микросенсорики, информатики, нанотехнологий, поточно-группового производства и других развивающихся разделов науки, техники и производства.

В МОУ «Институт инженерной физики» с 2007 года ставится комплексная работа в этом научно-техническом направлении.

К нанокавитронным технологиям

В свое время создание ультразвуковых генераторов сделало возможным управление кавитационным процессом и полезное применение его на практике, но преимущественно в макрообъемах.

Известно, что акустическая кавитация в жидкостях инициирует различные физико-химические явления: сонолюминесценцию (свечение жидкостей); химические эффекты (звукохимические реакции); эрозию твердого тела (разрушение поверхности); диспергирование (измельчение твердых частиц в жидкости) и эмульгирование (смешивание и гомогенизация несмешивающихся жидкостей). При этом в кавитационную полость могут проникать пары воды, растворенные газы, вещества с высокой упругостью пара, но не могут проникать ионы или молекулы, наночастицы нелетучих растворенных веществ (поэтому, при необходимости, последние можно определенным образом присоединять к одиночным пузырькам или окружать их считанным количеством, а затем перемещать, «транспортировать» всей группой).

Выделяющейся в процессе схлопывания пузырька энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул жидкости, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной полости. Акустическая кавитация вызывает ряд эффектов. Благодаря этим эффектам акустокавитация уже находит широкое применение для создания новых и совершенствования известных технологических процессов. Часть из них, например, разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгирование жидкостей, очистка - обязаны своим происхождением ударам при захлопывании полостей и микропотокам вблизи пузырьков. Другие эффекты (например, вызывание и ускорение химических реакций) связаны с ионизацией при образовании полостей. Применение этих эффектов в мезо- и микропространствах с новыми нанообъектами расширяет перечень возможных перспективных технологий.

Так, например, известно, что, используя пузырьки как заполненные аргоном или ксеноном нанообъекты в концентрированной серной кислоте, можно вызвать явление однопузырьковой сонолюминесценции в несколько тысяч раз более интенсивное, чем при использовании в качестве жидкости воды.

Следует подчеркнуть, что акустическая кавитация - эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. Это обстоятельство долго провоцировало исследователей на относительно высокоэнергетические макрообъемные исследования.

Микрообъемные кавитационные процессы оставались мало изученными.

Существом перспективных нанокавитронных технологий и схемотехники является вариативное локальное концентрирование комплементных процессов кавитации и других процессов на разных физических эффектах для скоростного управления состояниями множества взаимно связанных микро- и нанообъектов в определенном типе закрытого, открытого или периодически открываемого мезо- или микропространства.

Системные нанообъекты, состояние которых определяется ходом комплементной совокупности названных процессов в их взаимосвязи, есть нанокавитроны. Примером, простейшего нанокавитрона является наносистема из единичной наночастицы, связанной с одиночной каверной из располагаемого конгломерата кавитационных полостей, помещенная в те или иные (регистрирующие, активирующие или управляющие ее состоянием) поля. Целенаправленное оперирование с одиночными или групповыми кавернами пока связано с определенными известными трудностями. В конкретных реальных условиях необходим определенный комплекс мер, чтобы добиться существования одиночного пузырька. При давлении, не намного превышающем порог кавитации, сразу появляется множество кавитационных пузырьков, занимающих определенную часть пространства, называемую «кавитационной областью». В ней при импульсных растягивающих напряжениях в жидкости «зародыши» растут, постепенно образуя «кавитационный кластер». В уже развитой стабильной кавитационной области количество кавитационных пузырьков многократно превышает количество «зародышей».

Обычно выделенный кавитационный объем должен удовлетворять двум ограничениям:

1) линейные размеры объема должны быть малы по сравнению с длиной волны ультразвука;

2) размеры этого объема должны быть намного больше размеров кавитационного пузырька.

Теперь прибавляются требования и к размерам управляемых нанообъектов, используемых в системе с кавернами. В настоящее время пока нет удовлетворительных моделей как отдельного кавитационного пузырька, так и нанокавитронов. Однако практикой поставлены задачи развития исследований как нанообъектов, так и нанокавитоники вцелом. Создание теории и моделей монопузырьковой кавитации (ее генерации, локализации, управления жизнью каверны и ее взаимодействием с вновь разрабатываемыми нано-объектами, например, наночастицами, нано-волокнами, наноплоскостями и нанотрубками), проверка их на практике и применение к новым технологиям - важная задача предстоящих исследований.

Направления нанокавитронных исследований

· Пространственно управляемая кавитационная энергетическая «подкачка» наноактивных микросред;

· нанокавитационное управление электрическими и другими физическими параметрами микроустройств (или микросекторов макроустройств);

· нанокавитационные динамические фазовые пространственные «решетки» управления (плоскостные и пространственные эффекты в микрообъемах, виртуальные перестраиваемые микросхемы, микротепло- и хладонасосы, микро-иономиксеры специальных назначений);

· кавитационные неспецифические процессы в микропространствах наносред («кавистрессы»);

· кавитационные и гибридные процессы, приближающие достижение условий для управляемого термоядерного синтеза, локализованные в матричных микрообъемах (микрообъемные циклические ускорители инициирующих частиц, микрозаряды цепочек инициирования управляемых ядерных, а затем и термоядерных, нанокавитронных реакций);

· нанокавитационные генераторы шума (сокращение пузырьков происходит быстро и сопровождается гидравлическим ударом; если возникает и захлопывается множество пузырьков, это сопровождается шумом со сплошным спектром от нескольких сотен Гц до сотен и тысяч кГц).

Нанокавитронные микрооперации

· Импульсное управление появлением, созданием адресованных пузырьков-носителей на базе (с их прикреплением и скреплением) адресовано заготовленных нанообъектов (в частности, порождаемых или освобождаемых наночастиц), перемещением этих пузырьков с прикрепленными нанообъектами в нужное пространство в требуемом состоянии, получаемом при перемещении (микрооперация «Кавитранспортировка» или «Кавидоставка» в мезо- и микрообъемах);

· генерирование и, при необходимости, группирование одиночных пузырьков, регулирование уровней и времен их состояний (микрооперация «Кавигруппировка»);

· очистка жидкостей замкнутых микрообъемов от нано- и микроцентров кавитации (повышение однородности и прочности жидкостей на разрыв) через временное образование каверн-уносителей вредных центров (микрооперация «Кави-ликви-упрочнение»);

· подготовка временно законсервированных в микрообъемах тонко дозированных микросред к применению в новом высокоточном состоянии (активация нанодозы микросреды в ее микропространстве непосредственно перед применением); при этом совместное воздействие кавитационных кумулятивных струек, гидродинамических ударов и вызывающего кавитацию ультразвукового поля могут приводить к выполнению:

- стерилизации обрабатываемой микросреды;

- эмульгирования до этого не смешанных законсервированных в среде микро- и нанопродуктов;

- при необходимости, разрыва длинных полимерных цепей и перевода определенных наносоставляющих сложной среды в новое структурное состояние;

- диспергирования до наноуровня твердых микрочастиц в среде;

- гомогенизации определенных нанопродуктов;

- интенсификации протекания химических реакций в микрообъемах.

Акустическая нанокавитация и связанные с ней физические явления позволяют получать и использовать ряд новых эффектов: скоростное разрушение и диспергирование твёрдых микротел, наноэмульгирование специальных жидкостей в микрообъемах, наноочистку поверхностей микродеталей; другие эффекты могут быть связаны со стимулируемой ионизацией газа в пузырьках; в биологии и медицине - получение мгновенных разрывов микроорганизмов и простейших, и т.п.

Размещено на Allbest.ru