Nanomateriallar strukturasini tadqiqot usullari

|
Nanomateriallar strukturasini tadqiqot usullari
|
bet | 4/5 | Sana | 08.06.2024 | Hajmi | 55,53 Kb. | | #261529 |
Bog'liq Mustaqil ish Noorganik materiallar2.3 Nanomateriallar strukturasini tadqiqot usullari
So'nggi bir necha yil ichida nanotexnologiya nafaqat yuqori texnologiyalarning eng istiqbolli tarmoqlaridan biri, balki XXI asr iqtisodiyotining tayanchi sifatida ham ko'rilmoqda - tabiiy resurslardan foydalanishga emas, balki bilimga asoslangan iqtisodiyot. ularni qayta ishlash. Bundan tashqari, nanotexnologiya barcha ishlab chiqarish faoliyatining yangi paradigmasini ishlab chiqishni rag'batlantiradi ("pastdan yuqoriga" - alohida atomlardan - mahsulotga, an'anaviy texnologiyalar kabi "yuqoridan pastga" emas. kattaroq ish qismidan ortiqcha materialni kesib olish natijasida olingan) , uning o'zi hayot sifatini yaxshilash va postindustrial jamiyatda ko'plab ijtimoiy muammolarni hal qilish uchun yangi yondashuvlar manbai. Fan-texnika siyosati va investitsiya sohasidagi aksariyat ekspertlarning fikricha, boshlangan nanotexnologik inqilob inson faoliyatining barcha hayotiy sohalarini (kosmik tadqiqotlardan tortib tibbiyotgacha, milliy xavfsizlikdan tortib ekologiya va qishloq xo‘jaligigacha) qamrab oladi va uning oqibatlari qanday bo‘ladi? 20-asrning oxirgi uchdan bir qismidagi kompyuter inqilobidan ham kengroq va chuqurroq. Bularning barchasi nafaqat ilmiy-texnik sohada, balki turli darajadagi ma'murlar, potentsial investorlar, ta'lim, davlat organlari va boshqalar oldida ham vazifalar va savollarni qo'yadi.
Nanotexnologiya kompyuter texnologiyalaridagi inqilobiy o'zgarishlardan rivojlandi. Elektronika ajralmas yo'nalish sifatida 1900-yillarda paydo bo'ldi va o'tgan asr davomida jadal rivojlanishda davom etdi. Uning tarixidagi nihoyatda muhim voqea 1947 yilda tranzistorning ixtiro qilinishi bo'ldi. Shundan so'ng yarimo'tkazgichlar texnologiyasining gullab-yashnagan davri boshlandi, bu davrda yaratilayotgan kremniy qurilmalarining o'lchamlari doimiy ravishda kichrayib borardi. Shu bilan birga, magnit va optik xotira qurilmalarining tezligi va hajmi doimiy ravishda oshib bordi. Biroq, yarimo'tkazgichli qurilmalarning o'lchamlari 1 mikronga yaqinlashganda, ularda moddalarning kvant-mexanik xossalari paydo bo'la boshlaydi, ya'ni. g'ayrioddiy jismoniy hodisalar (tunnel effekti kabi). Ishonch bilan taxmin qilish mumkinki, kompyuter quvvatining hozirgi rivojlanish sur'atlarini saqlab qolgan holda, barcha yarimo'tkazgichli texnologiyalar taxminan 5-10 yil ichida fundamental muammolarga duch keladi, chunki kompyuterlarga integratsiya tezligi va darajasi ma'lum bir "asosiy" chegaralarga etadi. Bizga ma'lum bo'lgan fizika qonunlari. Shunday qilib, fan va texnikaning keyingi taraqqiyoti tadqiqotchilardan ishning yangi tamoyillari va yangi texnologik usullarga sezilarli "yurish"ni talab qiladi.Bunday yutuqga faqat nanotexnologiyalarni qo'llash orqali erishish mumkin, bu esa tubdan yangi ishlab chiqarish jarayonlari, materiallar va qurilmalarning butun majmuasini, masalan, nanorobotlarni yaratishga imkon beradi.
Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, nanotexnologiyadan foydalanish yarimo'tkazgichli hisoblash va xotira qurilmalarining asosiy xususiyatlarini uchta kattalik darajasiga oshirishi mumkin, ya'ni. 1000 marta.
Biroq, nanotexnologiya elektronika va kompyuter texnologiyalaridagi mahalliy inqilobiy yutuq bilan cheklanib qolmasligi kerak. Ilm-fan va texnikaning boshqa sohalarini rivojlantirishda sezilarli yutuqlarga umid qilish imkonini beruvchi bir qator juda muhim natijalarga erishildi.
Fizika, kimyo va biologiyaning ko'plab ob'ektlarida nano o'lchovga o'tish alohida birikmalar va ular asosida olingan tizimlarning fizik-kimyoviy xususiyatlarida sifat o'zgarishlarining paydo bo'lishiga olib kelishi ko'rsatilgan. Biz optik qarshilik, elektr o'tkazuvchanlik, magnit xususiyatlar, kuch, issiqlikka chidamlilik koeffitsientlari haqida gapiramiz. Bundan tashqari, kuzatishlarga ko'ra, nanotexnologiya yordamida olingan yangi materiallar fizik, mexanik, issiqlik va optik xususiyatlari bo'yicha mikrometr shkalasidagi analoglardan sezilarli darajada ustundir.Yangi xususiyatlarga ega bo'lgan materiallar asosida quyosh batareyalarining yangi turlari, energiya konvertorlari, ekologik toza mahsulotlar va boshqa ko'p narsalar yaratilmoqda. Yuqori sezgir biologik sensorlar (datchiklar) va boshqa qurilmalar allaqachon yaratilgan bo'lib, ular yangi fan - nanobiotexnologiyaning paydo bo'lishi haqida gapirishga imkon beradi va amaliy qo'llash uchun katta istiqbolga ega. Nanotexnologiya materiallarni mikromexanik ishlov berish va shu asosda yangi ishlab chiqarish jarayonlari va yangi mahsulotlarni yaratish uchun yangi imkoniyatlarni taklif etadi, bu esa kelajak avlodlarning iqtisodiy va ijtimoiy hayotiga inqilobiy ta'sir ko'rsatishi kerak. Nanomateryallarning tuzilishi va shunga mos ravishda xossalari ularni ishlab chiqarish bosqichida shakllanadi.
Nanomateryallarning barqaror va optimal ishlashini ta'minlash uchun asos sifatida texnologiyaning ahamiyati juda aniq; bu ularning iqtisodiyoti nuqtai nazaridan ham muhim. Nanomateryallar texnologiyasi, ikkinchisining xilma-xilligiga ko'ra, bir tomondan, metallurgiya, fizik, kimyoviy va biologik usullar, ikkinchi tomondan, an'anaviy va printsipial jihatdan yangi texnikalarning kombinatsiyasi bilan tavsiflanadi. Shunday qilib, agar konsolidatsiyalangan nanomateriallarni olish usullarining aksariyati an'anaviy bo'lsa, masalan, skanerlash tunnel mikroskopidan foydalangan holda "kvant korrallari" ni ishlab chiqarish, atomlarning o'zini o'zi yig'ish orqali kvant nuqtalarini shakllantirish yoki ion-track texnologiyasidan prinsipial ravishda turli texnologik usullarda polimer materiallarda g'ovak konstruksiyalarni yaratish uchun foydalanish.
Molekulyar biotexnologiyaning usullari ham juda xilma-xildir. Bularning barchasi mualliflar ko‘plab texnologik detallarni (nou-xau) faqat umumiy ma’noda ta’riflashini va ko‘pincha xabar reklama xarakteriga ega ekanligini hisobga olsak, nanomateriallar texnologiyasi asoslarini taqdim etishni murakkablashtiradi. Bundan tashqari, faqat asosiy va eng tipik texnologik usullar tahlil qilinadi. Kukun deganda kichik o'lchamdagi - bir necha nanometrdan minglab mikrongacha bo'lgan alohida qattiq moddalar (yoki ularning agregatlari) bilan aloqa qilish to'plami tushuniladi.
Nanomateryallarni ishlab chiqarishga kelsak, ultradispers kukunlar xom ashyo sifatida ishlatiladi, ya'ni. hajmi 100 dan ortiq bo'lmagan zarralar, shuningdek intensiv silliqlash sharoitida olingan va yuqorida ko'rsatilganlarga o'xshash o'lchamdagi kichik kristalitlardan tashkil topgan kattaroq kukunlar.Kukun texnologiyasining keyingi operatsiyalari - presslash, sinterlash, issiq presslash va boshqalar - tegishli tuzilish va xususiyatlarga ega bo'lgan ko'rsatilgan shakl va o'lchamdagi namunani (mahsulotni) ta'minlash uchun mo'ljallangan. Ushbu operatsiyalarning kombinatsiyasi ko'pincha M.Yuning taklifiga binoan chaqiriladi. Balshin, konsolidatsiya. Nanomateryallarga nisbatan konsolidatsiya, bir tomondan, deyarli to'liq siqilishni ta'minlashi kerak (ya'ni, strukturada makro va mikroporlarning yo'qligi), boshqa tomondan, ultra nozik materialning dastlabki o'lchamlari bilan bog'liq nanostrukturani saqlab qolish. kukun (ya'ni, sinterlangan materiallardagi don hajmi imkon qadar kichik va har qanday holatda 100 nm dan kam bo'lishi kerak). Nanomateryallarni ishlab chiqarish uchun kukunlarni olish usullari juda xilma-xildir; ularni shartli ravishda kimyoviy va fizikaga bo'lish mumkin, ularning asosiylari, eng xarakterli ultradispers kukunlari ko'rsatilgan. Qoldiq g'ovaklikni yo'qotish uchun presslangan namunalarni issiqlik bilan ishlov berish kerak - sinterlash. Biroq, nanomateriallarni ishlab chiqarishda qo'llanilganda, kukunli ob'ektlarni an'anaviy sinterlash usullari asl nanostrukturani saqlab qolishga imkon bermaydi. Donning o'sishi (qayta kristallanish) va sinterlash(qisqarish) paytida siqilish jarayonlari diffuziya bilan boshqariladi, parallel ravishda, bir-birining ustiga chiqadi va yuqori siqilish tezligini qayta kristallanishning oldini olish bilan birlashtirish oson emas.
Shunday qilib, yuqori statik va dinamik bosim va o'rtacha haroratni qo'llashni o'z ichiga olgan yuqori energiyali konsolidatsiya usullarini qo'llash donning o'sishini ma'lum darajada kechiktirish imkonini beradi.
Nanostrukturali g'ovakli yarim tayyor mahsulotlarni olish uchun ultra nozik kukunlarni bosish va sinterlashning an'anaviy usullaridan foydalanish mumkin, ular keyinchalik to'liq mustahkamlash uchun bosim bilan ishlov beriladi. Shunday qilib, mis kukunlari 400 MPa bosimda presslash va vodorodgacha izotermik bo'lmagan sinterlashdan keyin qalinligi 3,5 nm bo'lgan oksidi (Cu 2 O 3) plyonkasi bilan ~ 35 nm zarracha hajmi bilan kondensatsiya usuli bilan olingan mis kukunlari. 230 ºS (isitish tezligi 0,5 ºS / min) don o'lchami 50 nm bo'lgan 90% nisbiy zichlikka ega bo'ldi. Keyinchalik gidrostatik ekstruziya yuqori mustahkamlik va plastisitivlikka ega bo'lgan g'ovak bo'lmagan makronamunalar ishlab chiqarishga olib keldi (siqilishdagi oquvchanlik 605 MPa, cho'zilish 18%).
Maxsus izotermik bo'lmagan isitish rejimlari yordamida oddiy sinterlash paytida donning o'sishini kechiktirish mumkin. Bunday holda, siqilish va donning o'sishi mexanizmlari o'rtasidagi raqobat tufayli siqilish jarayonlarini optimallashtirish, asosan qayta kristallanish hodisalarini bartaraf etish mumkin. Sinterlangan namunadan oqim o'tkazish yo'li bilan amalga oshiriladigan elektr tokini sinterlash va chang ob'ektlarini issiq bosim bilan ishlov berish (masalan, zarb yoki ekstruziya) ham qayta kristallanishni inhibe qilishi va nanomateriallarni olish uchun ishlatilishi mumkin. Mikroto'lqinli isitish ostida keramik nanomateriallarni sinterlash, namunalar kesimida bir xil harorat taqsimotiga olib keladi, shuningdek, nanostrukturaning saqlanishiga yordam beradi. Shu bilan birga, konsolidatsiyaning sanab o'tilgan variantlaridagi kristallitlar hajmi odatda nanostrukturaning don hajmining yuqori chegarasi darajasida, ya'ni. odatda 50-100 nm dan past emas.
Kuchli plastik deformatsiya Massiv metall namunalarining nanostrukturasini shakllantirish qattiq deformatsiya usuli bilan amalga oshirilishi mumkin. Kvazi-gidrostatik yuqori bosimda burilish, teng kanalli burchakli presslash va boshqa usullarni qo'llash orqali erishilgan katta deformatsiyalar tufayli parchalangan va noto'g'ri yo'naltirilgan struktura hosil bo'ladi.qattiq plastik deformatsiyaning ikkita sxemasi ko'rsatilgan - yuqori bosimli buralish va teng kanalli burchakli presslash. Sxema holatida a disk shaklidagi namuna qolipga joylashtiriladi va aylanuvchi zımba bilan siqiladi. Fizikada va yuqori bosimli texnologiyada ushbu sxema Bridgman anvillarining taniqli g'oyalarini ishlab chiqadi. Yuqori bosimdagi kvazigidrostatik deformatsiya va siljish deformatsiyasi yuqori burchakli don chegaralari bilan muvozanatsiz nanostrukturalarning shakllanishiga olib keladi. Sxema holatida bu uning asosiy asoslari V.M.Segal (Minsk) tomonidan ishlab chiqilgan bo'lib, namuna oddiy kesish sxemasi bo'yicha deformatsiyalanadi va turli marshrutlar yordamida takroriy deformatsiya qilish imkoniyati mavjud. 1990-yillarning boshlarida. R.Z.Valiev va boshqalar. tuzilishi va xossalarining o‘ziga xos xususiyatlari bilan bog‘liq holda olish qonuniyatlarini batafsil o‘rganib, nanomateriallarni olishda ikkala sxemadan ham foydalangan.
1) to'g'ridan-to'g'ri eritmadan o'chirish jarayonida to'liq kristallanish va bir yoki ko'p fazali an'anaviy polikristal struktura va nanostrukturani shakllantirish;
2) eritmadan so'ndirish paytida kristallanish to'liq davom etmaydi va amorf-kristalli struktura hosil bo'ladi;
3) eritmadan o'chirish amorf holatning paydo bo'lishiga olib keladi, u faqat keyingi issiqlik bilan ishlov berish paytida nanostrukturaga aylanadi.
Masalan, suyuq eritmalarni gaz bilan purkash yo'li bilan olingan amorf kukunlarni qayta ishlash uchun issiq bosim bilan ishlov berish usullari qo'llaniladi, bu yapon tadqiqotchilari tomonidan yuqori quvvatli Al-Y-Ni-ning quyma ignalari misolida ko'rsatilgan.
|
| |