Не отступай и не сдавайся !!!

+7(495)233-9079
arduino4home@gmail.com

Оказываем услуги по организации эффективного Документооборота малым и средним предприятиям. Работаем на Вашей информационной инфраструктуре. Подробнее >>>

НАНОТЕХНОЛОГИИ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКОМ СЕРВИСЕ МАШИН

Общие положения

Слово "нано" произошло от греческого Nanos - карлик, приставка для образования наименования дольных единиц, равных одной миллиардной доле исходных единиц. Обозначения: н, п. Пример: 1 нм = 10-9 м. На таком расстоянии вплотную могут расположиться примерно 10 атомов вещества.

Первым из ученых, использовавшим эту единицу измерения, принято считать Альберта Эйнштейна, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.

Через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп, обеспечивающий разрешение на тот период меньшее, чем существовавшие тогда оптические микроскопы. Данный прибор стал прообразом нового поколения подобных устройств, позволивших в дальнейшем заглянуть в мир нанообъектов.

Работающий в Токийском университете японский физик Норио Танигучи, в 1974 году впервые предложил термин "нанотехнология" (процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой), получившим популярность в научных, а затем и технических кругах.

Одним из главных химических элементов, к которым приковано внимание ученых всего мира в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные формы.

До недавнего времени было известно, что углерод образует три аллотропных формы: - алмаз, графит и карбин. Аллотропия (от греч. "аллос" - иной, "тропос" - поворот) - свойство, существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

Рассмотрим структуру аллотропных форм углерода: графита, алмаза и карбина [Балабанов В.И., Ищенко С.А., Беклемышев В.И. Триботехнологии в техническом сервисе машин. - М.: Изумруд, 2005, -192 с].

Графит находит широкое применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности, от изготовления карандашных грифелей до блоков замедления нейтронов в ядерных реакторах. Атомы углерода в кристаллической структуре графита связаны между собой прочными ковалентными связями и формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями. Расстояние между атомами, расположенными в вершинах правильных шестиугольников, равно 0,142 нм, между слоями - 0,335 нм. Слои слабо связаны между собой. Такая структура - прочные слои углерода, слабо связанные между собой, определяет специфические свойства графита, низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки, что обусловило его применение в различных смазочных материалах в качестве противозадирного и противоизносного элемента.

В структуре алмаза каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома.

Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями. Такая структура определяет свойства алмаза как одного из самых твердых
вещества, известных на Земле.

Карбин конденсируется в виде белого углеродного осадка на поверхности при облучении пирографита лазерным пучком света. Кристаллическая форма карбина состоит из параллельно ориентированных цепочек углеродных атомов с sp-гибридизацией валентных электронов в виде прямолинейных макромолекул.

Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чароит) и т. д., но все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.

Шунгиты - специфичные углеродосодержащие породы, получившие свое название по названию карельского с. Шуньга на берегу Онежского озера.

Входящий в их состав шунгитовый углерод, некристаллический фуллереноподобный углерод с метастабильной молекулярной структурой, не склонной к графитации. Основным элементом надмолекулярной структуры шунгитового углерода является глобула - многослойное образование с размерами до 10 нм с порой Необычна структура шунгитов. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу,"в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм.

Структурных аналогов шунгита в других регионах не выявлено. Основные запасы шунгитов находятся на территории Заонежского полуострова и вокруг северной оконечности Онежского озера.

Возраст этого таинственного минерала - более 2 миллиардов лет. Шунгит до сих пор представляет собой загадку для ученых. Не раскрыты до конца его уникальные физические, химические и лечебные свойства, не разгадано происхождение. Но опыт предков и современные клинические исследования убедительно подтверждают, что шунгит эффективен при более чем 50 заболеваниях, и прежде всего - при болезнях суставов и опорно-двигательного аппарата.

Есть гипотеза, что шунгиты - это остатки гигантского метеорита -обломка планеты Фаэтон, некогда существовавшей в нашей Солнечной системе. Специалисты считают, что в медицине у шунгита большое будущее.

Существует гипотеза, что именно шунгит стал источником жизни на Земле.

На этом загадочная связь таинственного минерала с русской историей не закончилась.

В 1714 году один из рабочих медеплавильного завода в Заонежье (история даже сохранила его имя - Иван Рябоев) обнаружил целебный источник, воду из которого он "пил три дня и исцелился" от тяжких недугов. Узнавший об этом случае Петр I повелел исследовать источник. Заключение лейб-медика Блюментроса и хирурга Равелина было следующим: "Сия вода великую силу имеет" против болезней сердца, печени, ревматизма, "тягости в суставах" и других недугов. В результате проверки действия воды на простых людях все они получили "совершенное здравие". А затем и сам Петр, страдавший подагрой, неоднократно лечил шунгитовыми водами больные суставы. Кроме того, по свидетельствам современников, Петр повелел солдатам носить в котелке кусок "аспидного камня" для обеззараживания воды, что и спасло нашу армию от эпидемии дизентерии накануне Полтавской битвы.

Фуллерен. В настоящее время стала известна еще одна, четвертая аллотропная форма углерода, так называемый "фуллерен" (многоатомные молекулы углерода Сn).

Происхождение термина "фуллерен" связано с фамилией известного американского архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, создававшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие из шестиугольников и пятиугольников.

В середине 60-х годов прошлого столетия Дэвид Джонс также конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразно свернутых графитовых слоев. Было показано, что в качестве дефекта, внедренного в гексагональную решетку обычного графита, и приводящего к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник.

Через несколько лет физхимик-органик Е.Осава предположил существование полой, высокосимметричной молекулы, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч. Чуть позже, в 1973 г., российские ученые Д.А.Бочвар и Е.Г.Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

В 1985 году, коллективу ученых: Г.Крото (Англия, Сассекский университет), Хит, О'Брайен, Р.Ф.Керл и Р.Смолли (США, Университет Раиса) удалось обнаружить молекулу фуллерена при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца.

Новая модификация углерода - фуллерены впервые была полностью исследована Кречмером (Германия) и Хафманом (США) в 1990 году.

В 1991 г. японский ученый Иджима на полярном ионном микроскопе впервые наблюдал различные структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода: нанотрубки, конусы, наночастицы.

В 1992 г. в природном углеродном минерале - шунгите - были обнаружены природные фуллерены.

В 1996 году за открытие фуллеренов Кречмеру (Германия) и Хафману (США) была присуждена Нобелевская премия по химии.

Уникальность физических и химических свойств фуллеренов вызвали громадный интерес в науке. Во всех публикациях фуллерены называют материалом 21 века.

В 1997г. Р.Е.Смолли, Р.Ф.Керл, Г.Крото также получили Нобелевскую премию по химии за изучение молекул, имеющих форму усеченного икосаэдра.

Фуллерен является новой формой углерода по существу. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерона является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) - это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская поверхность, однако ими не может быть сформирована замкнутая поверхность. Для этого необходимо часть шестиугольных колец разрезать и из разрезанных частей сформировать пятиугольники. В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура - усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, шесть осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле С60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной совалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 - 0,357 нм. Длина связи С- С в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике - 0,139 нм.

Молекулы высших фуллеренов С70 , С74, С76, CS4, С164, C192, C216 также имеют форму замкнутой поверхности.

Фуллерены с п<60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений, наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20.

Кристаллический фуллерен, который был назван фуллеритом, имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку пространственной группы с параметром кубической решетки в 1,42 нм, расстоянием между ближайшими соседями - 1 нм и числом ближайших соседей в ГЦК решетке фуллерита, равным 12.

Получение нанообъектов

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц величиной от 100 до 200 А, при напряжении 10... 20 В. Регулируя натяжение пружины электродов, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в электрической дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием под давлением. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10 г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т. е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10 % от веса исходной графитовой сажи. В нем содержится до 10 % фуллеренов С60 (90 %) и С70 (10 %). Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название "фуллереновая дуга".

Обзор существующих в настоящее время способов получения фуллеренов и устройств установок, в которых получают различные фуллерены, осуществлен в работе Г.Н.Чурилова.

Наряду со сфероидальными углеродными структурами, могут образовываться также и протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, которые отличаются широким разнообразием физико-химических свойств.

Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т. е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Параметр, указывающий координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат, называется хиральностью нанотрубки и обозначается набором символов (т, п). Хиральность нанотрубки определяет ее электрические характеристики.

Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, выявили тот факт, что большинство нанотрубок состоят из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось.

Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду с правильными шестиугольниками по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает их.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Применение нанотехнологий в техническом сервисе машин

В промышленно развитых странах широко развернуты работы по определению областей практического использования фуллеренов. Выявлен широчайший диапазон их применения. Они могут использоваться как в качестве веществ, интенсифицирующих многие технологические процессы, так и в качестве рабочих агентов с высокими функциональными способностями - от низкотемпературных сверхпроводников до опто- и фотоэлектронных материалов и медицинских препаратов.

Одним из главных факторов, способных оказать сильное влияние на реализацию данного проекта, является уровень научно-технических и технологических нововведений в области практического применения и промышленного производства фуллеренов.

В качестве основных направлений, по которым в настоящее время ведутся исследования и поиск новых возможностей для применения фуллеренов, следует отметить следующее:

  • новые типы полупроводников, ферромагнетиков, сегметиков и сверхпроводников;
  • фуллерено-содержащие полимеры;
  • адсорбенты и катализаторы;
  • новые алмазоподобные покрытия;
  • новые смазочные материалы;
  • использование фуллеренов в нефтехимии;
  • нелинейные оптические материалы;
  • медицина.

В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптикоэлек-тронных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.

Фуллерены также планируют использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в пять раз большее удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее известными в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров, слуховых аппаратов и других портативных устройств.

Результаты и перспективы работ в области нанотехнологий, привели к тому, что в разных странах на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются программы работ в этом направлении.

Изделия нанотехнологий, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, позволят реализовать их предельно возможные характеристики, по сравнению с которыми традиционные изделия не будут конкурентоспособны.

В Японии программа работ по нанотехнологий получила высший государственный приоритет "Огато". Данный проект спонсирует не только государство, но и дополнительно около 60 частных фирм. Кроме данного проекта, в Японии финансируется около дюжины проектов, посвященных различным аспектам нанотехнологий - квантовым волнам, флуктуациям в квантовых системах, направленных на исследование и разработку квантовых функциональных схем. Еще 10 лет назад в Японии присуждались золотые медали за лучшие достижения в области нанотехнологий. Основные разработки проводились в центре перспективных технологий "Цукуба".

Неслучайно, что наибольшего прогресса в этом направлении достигли именно японские ученые, создавшие микроскопический "подшипник", в котором потери на трение близки к нулю. Они настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их зарегистрировать, сообщили в Университете Айти, специалисты которого участвовали в экспериментах вместе с коллегами из столичного Университета Сэйкэй.

Силу трения измеряли при помощи так называемого туннельного микроскопа, который дает возможность не только видеть составные части молекул, но и манипулировать ими, поскольку вместо оптики используется наноскопический зонд-игла толщиной в один атом. Как заявил представитель университета, силу трения зафиксировать не удалось, т. к. она оказалась меньше 10-12 Н, а измерение таких величин пока трибологам недоступно.

Материалом для "вечного" миниподшипника послужили именно фуллерены. Открытие углеродных "гороховых стручков" - фуллеренов С6о внутри одностенных углеродных нанотрубок (C60YHT) - расширило границы возможных применений нанотрубок. Фуллерены внутри трубок выстраиваются в упорядоченные одномерные цепочки, формируя таким образом новые наноматериалы. В данном случае они состоят из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти-и шестиугольников, которые вместе составляют шар. Эти вращающиеся "шарики" после сложного технологического процесса составили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита. Реализован принцип безызносного подшипника.

Нынешнее достижение нанотехнологии, по словам ученых, планируется внедрить в производство миниатюрных роботов и микромеханизмов, чьи детали практически не будут изнашиваться.

Техника стоит на пороге "безызносности", теоретически предсказанной проф. Д.Н.Гаркуновым. В своих работах он также исследовал процессы, протекающие на наноуровнях. Так обнаруженная им "сервовитная пленка" толщиной несколько десятков ангстрем - это тоже нанообъект на поверхностях трения.

В Европе более чем в 40 лабораториях проводятся нанотехнологические исследования и разработки, финансируемые как по государственным, так и по международным программам, в частности программа НАТО по нанотехнологии.

В последнее время нанотехнологии постепенно приходят и в машиностроение, в частности автомобилестроение и автохимию. Так, концерн BMW разработал на базе нанопорошков самоочищающиеся автомобильные поверхности, a AUDI такие порошки уже применяет для создания прочных зеркал и отражателей, стойких к царапинам.

На отечественном рынке автохимии известны разработки, содержащие в своем составе нанообьекты и применяемые в техническом сервисе машин для повышения износостойкости их деталей и ресурса в целом. Например, препараты АР и АВ (Белоруссия), авторы которых заявляют о наличии в их составах фуллеренов, вводятся в смазочные материалы для повышения износостойкости и ресурса обработанной техники.. Российская научно-производственная фирма "Лаборатория триботехнологии" (г. Зеленоград) разработала, успешно апробировала и начала серийный выпуск продукта нового поколения автомобиля на базе неабразивных наноалмазов (диаметром около 46 нм) и кластерного углерода.

Препарат используется в составе масла и обеспечивает ускоренную и качественную приработку пар трения после ремонта агрегатов, при обкатке новых автомобилей или при технологической приработке агрегатов на машиностроительных предприятиях.

Состав изменяет реологические свойства масла, и реализует безабразивную трибохимическую приработку металлических поверхностей трения с низким износом и равновесной шероховатостью на основе процесса "износ-восстановление" и обеспечивает экономию топлива до 8 % и масла до 10 %.

Планируете создать бизнес? Ваш бизнес болен или планируете его расширение? Нужна помощь? Обращайтесь !!! Гарантия конфиденциальности!!!
==> Прайс-лист. ==> Подробнее.
Выражаем искреннюю благодарность авторам материалов, размещённых на сайте.
1C 1С Бит (бухучёт и торговля) FreeBSD Linux VMWare
Veeam HP Oracle VirtualBox IBM
Полезные ссылки

АРХИВ САЙТА
Исключительно информационная поддержка!!! И ничего более!!!

Хостинг нашего сайта осуществляется узлом www.cherepovets-city.ru
© 2000-2018 - 13/10/14 13:16