книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

дельные группы описывают симметрию конуса, цилиндра и шара, получаемых из пирамиды (конус), призмы (цилиндр) и объемных многогранников типа куба, октаэдра, додекаэдра и т.д. (шар). Для геометрических фигур очевиден принцип суперпозиции, заключающийся в том, что симметрия двух (или многих) объектов, рассматриваемых как целое, является общей подгруппой групп симметрии этих объектов, определяемой с учетом взаимного расположения их элементов симметрии. Иначе говоря, при соединении двух (или многих) не равных друг другу симметричных фигур в одну составную в последней остаются лишь те элементы симметрии, которые являются общими для всех составляющих фигур при заданном способе их размещения в пространстве.

В 1894 г. в работе «О симметрии физических явлений» французский физик Пьер Кюри сформулировал следующий принцип:

1) «при наложении нескольких явлений различной природы

водной и той же системе их дисимметрии складываются»;

2)«элементами симметрии системы остаются только те, которые являются общими для каждого явления, взятого отдельно»;

3а) «когда некоторые причины производят некоторые действия, элементы симметрии причин должны обнаруживаться в этих приведенных действиях»;

3б) «когда некоторые действия проявляют некоторую дисимметрию, то эта дисимметрия должна обнаруживаться и в причинах их порождающих».

Под термином «дисимметрия» П. Кюри понимал, в частности, всякое отклонение от симметрии, беря, однако, понятие «симметрия» отнюдь не в том узко геометрическом понимании, как оно по сей день применяется.

И в растительном, и в животном мире, и в неживой природе настойчиво пробивается формообразующая тенденция природы – симметрия относительно направления роста и движения (рис. 1.23).

Примером использования понятия о дисимметрии для решения научных задач является эффект Тваймана, который был открыт

в20-е гг. XX столетия, а В.В. Митрофанов его объяснил в 1990 г.

41

г

д

Рис. 1.23. Примеры симметрийной организации систем в природе: кристаллические решетки: а – CaF2; б – NaCl; в – ZnS; г – соотношение длин частей тела ящерицы; д – соотношение длин частей растения

Эффект Рассела был открыт в 1897 г., а В.В. Митрофанов его смог объяснить в 1975 г. Суть эффекта Тваймана заключается в том, что происходит изгиб стеклянной пластины, противоположные плоскости которой обработаны различно: одна сторона у нее шлифованная, а другая – полированная. Дисимметрия (неравенство) сил поверхно-

42

стного натяжения на разных сторонах пластины является причиной изгиба.

Французский физик-химик и металловед А.Л. Ле Шателье

(Le Chatelier) (1850–1936) в 1884 г. сформулировал закон смещения химического равновесия в зависимости от внешних факторов. Принцип Ле Шателье–Брауна («принцип смещения равновесия») устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Так, при нагревании равновесной системы в ней происходят изменения (например, химические реакции), идущие с поглощением теплоты, а при охлаждении – изменения, протекающие с выделением теплоты. При увеличении давления смещение равновесия связано с уменьшением общего объема системы, а уменьшению давления сопутствуют физические и химические процессы, приводящие к увеличению объема. Принцип смещения равновесия в зависимости от температуры высказал Я. Вант-Гофф (1884). В общем виде принцип смещения равновесия установлен А.Л. Ле Шателье (1884) и термодинамически обоснован К. Брауном (1887). Математический аппарат принципа сложен. Поэтому ограничимся примерами.

Первый – клоун с тростью входит в коридор. Если трость поперек коридора, направления не совпадают, войти нельзя. Если же трость вдоль коридора, то направления совпали (коллинеарны), можно войти. Так действует единичка симметрии (читай: структуры).

Другой пример – организация железных опилок на бумаге. Она отражает организацию (читай: симметрию) силовых линий магнитного поля магнита, находящегося под бумагой. Здесь уже каждая частица опилок – единичный вектор, элемент в общей картине.

Третий пример – организация упорядоченных структур, образование их из хаоса. Разбегающиеся тараканы – что может быть хаотичнее? В начале ХХ в., в выступлении факира Дмитриуса Лонго на арену выносили сундук и высыпали из него ... кучу тараканов! Вскакивали испуганные зрители. Но, по мановению руки Лонго, поток тараканов останавливался, а затем начинал целенаправленно мчаться

43

по улочкам установленного на арене картонного городка, подчиняясь командам: вправо, влево, поделиться на колонны и т.д. В финале «дрессированные» насекомые забирались обратно в сундук. Поражающий этот трюк был основан на «индикаторном» (компасном) свойстве тараканов – ощущать электрическое поле и электрический ток. Под городком, как в простенькой детской игре «Электровикторина», были проложены жирные полосы жестяной фольги, по которым шел ток, невидимый публике помощник лишь щелкал переключателем. Так хаос насекомых обращался в структуру, где симметрия структуры (т.е. поэлементное построение) потока бегущих тараканов определялась симметрией силовых линий электрического тока.

И четвертый, весьма яркий пример навязывания свойств симметрии среды свойствам симметрии объектов в данной среде, – один из современных способов лечения переломов. В морфологии эксперименты показали: живые клетки растут и делятся (размножаются) преимущественно вдоль линий механических напряжений, электрических микротоков, слабых постоянных магнитных полей, по зонам наилучшей кислородообеспеченности и т.д., что подчас определяется лишь исключительно геометрией (очертаниями, формой) зоны, где развиваются эти клетки. Подобные свойства клеток были использованы в медицине: если пропускать через однородную (т.е. «хаотичную») кашицу костно-хрящевой массы слабый электрический ток, то произойдет постепенное выстраивание клеток в упорядоченные структуры. В результате сращение костей намного ускоряется: изменение микропроцессов изменяет и макропроцесс.

14. Соотношения Онсагера. В 1968 г. Ларсу Онсагеру была присуждена Нобелевская премия «за открытие соотношений взаимности в необратимых процессах, названных его именем, которые имеют принципиально важное значение для термодинамики необратимых процессов».

С помощью статистической механики, основанной на законах движения, Онсагер показал, как одновременно протекающие реакции влияют друг на друга в соотношениях, известных в настоящее время как соотношения взаимности Онсагера. Он показал также, что соот-

44

ношения взаимности представляют собой математический эквивалент более общего принципа наименьшей диссипации, который утверждает, что скорость возрастания энтропии в связанных необратимых процессах минимальна.

При малых отклонениях системы от термодинамического равновесия потоки влияния силы Хk на поток Ji равно влиянию силы Хi на поток Jk.

Хk Ji = Хi Jk.

Физический смысл – в равной вероятности переходов между микросостояниями системы.

Синергизм влияния различных физико-химических воздействий – генерация «коррелирующих» потоков при существовании ненулевых сопряженных коэффициентов. Впервые на необходимость учета влияния близкой стенки на динамику пузырька указали М. Корнфельд и Л. Суворов еще в 1944 г., экспериментально исследуя кавитационную эрозию, вызванную акустической кавитацией. Действительно, в теории используется решение, полученное для одиночного пузырька в безграничной жидкости. Если из полученных решений оценить давления, возникающие в жидкости при захлопывании пузырька, то получается, что эти давления порядка 108 Па и на расстоянии r = 2R быстро падают при увеличении r.

С помощью прерывистого искрового освещения кавитационных пузырьков установлено, что при росте амплитуды колебаний пузырьки вблизи стенки теряют свою сферическую форму и становятся полигональными. Авторы предположили, что при этом возникают моды поверхностных колебаний высших порядков. С ростом амплитуды число граней растет, что указывает на возбуждение мод более высоких порядков. При больших амплитудах звука пузырьки теряют правильную форму и съемка сбоку показывает, что внутри пузырьков возникают микроструи.

На рис. 1.24 приведены кинограммы сжатия пузырьков в 60%-ном растворе глицерина. Как видно на кинограммах, форма пузырька перед началом сжатия немного отличается от сферической.

45

При относительно небольшой начальной деформации пузырька его поверхность при сжатии сначала приближается к сферической, а затем быстро сплющивается в направлении, перпендикулярном твердой стенке (рис. 1.24, а).

а

б

в

Рис. 1.24. Кинограммы сжатия одиночных пузырьков: а – начало сжатия пузырьков; б – сплющивание пузырька в направлении, параллельном твердой стенке; в – разделение пузырька на две близкие по объему, но различные по форме части

При сжатии пузырька с большой начальной деформацией кольцевая струйка возникает уже в средней части полости, ближе к твердой стенке. По мере сжатия происходит сплющивание пузырька в направлении, параллельном твердой стенке, и на последних стадиях происходит его разделение на две близкие по объему, но различные по форме части (рис. 1.24, б). При увеличении начальной деформации в конце сжатия в удаленной от твердой стенки части пузырька возникает кольцевая струйка жидкости, которая движется в плоскости, параллельной стенке, и в конце разделяет полость на две неравные части (рис. 1.24, в).

46

Контрольные вопросы

1.Дайте классификацию технических материалов по примене-

нию.

2.Какие требования предъявляются к современным и перспективным материалам для машиностроения?

3.Охарактеризуйте условия работы деталей погружного насоса

ивиды износа деталей насоса.

4.Какие материалы используются в современных и перспективных конструкциях насосов?

5.Сформулируйте основные положения синергетики в теории самоорганизации термодинамических систем.

6.В чем заключается сущность теории катастроф в теории самоорганизации?

7.Каковы термодинамические закономерности создания материалов на основе диссипативных структур?

8.Сформулируйте принципы химической комбинаторики при создании материалов с заданными свойствами и приведите примеры на каждый принцип.

9.Охарактеризуйте принципы создания материалов с заданными свойствами на основе инжиниринга материалов.

47

Глава 2

ВИДЫ НАНОМАТЕРИАЛОВ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

2.1. Свойства наночастиц

Первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Феймана «Там внизу много места» («There’s Plenty of Room at the Botton»), сделанным им в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера: если было бы известно точное местонахождение отдельных молекул и атомов вещества, то их можно было бы распределить в заданной последовательности.

Сегодня к нанотехнологиям относят технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом:

•создавать и модифицировать наноматериалы,

•осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Особенность нанотехнологий – междисциплинарность. Причины развития наноиндустрии обусловлены:

•стремлением к миниатюризации изделий;

•уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии;

•необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами;

•развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации;

•практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия);

48

•развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии, технологий получения нанопорошков и т.п.;

•приближением к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т.п.).

Результатом внедрения нанотехнологий, по данным Foresight Nanotech Institute, должно быть:

1) создание новых экологически чистых источников энергии;

2) удовлетворение потребностей в чистой воде и воздухе;

3) улучшение здоровья и увеличение продолжительности жизни;

4) максимальное увеличение продуктивности сельскохзяйственного производства;

5) общедоступность информационных технологий;

6) прогресс в освоении космического пространства.

К наноматериалам условно относятся дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры которых хотя бы

водном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками. Для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла, для электропроводности – длина свободного пробега электронов.

Наноматериалы появились в среде обитания человека раньше, чем сам термин «наноматериалы», и используются уже не только

внауке и технике, но и в повседневной жизни (табл. 2.1). Классификация наноматериалов по размерам (рис. 2.1):

0D – квантовые точки (структуры, состоящие из менее чем

10 атомов, все размеры кластера не превышают 100 нм);

1D – нити, волокна, вискеры (один размер превышает 100 нм); 2D – пленки, покрытия (двумерное образование с наноразмер-

ной толщиной);

3D – объемные материалы (поликристаллы, состоящие из нанозерен).

49

Таблица 2.1 Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Рис. 2.1. Классификация наноматериалов

В настоящее время принято различать два подхода к созданию наноматериалов:

1)«сверху вниз» – физические методы, измельчение;

2)«снизу вверх» – химические методы, синтез.

Измельчение твердых тел производят в высокоэнергетических установках. В установке, представленной на рис. 2.2, порошок диспергируется в плазменной струе на атомарном уровне и кристаллизуется в зоне охлаждения в виде нанодисперсных частиц. В генераторе, приведенном на рис. 2.3, металлическая проволока испаряется при индукционном нагреве, капли диспергируются мощной струей газа и конденсируются в зоне охлаждения.

50