Материалы и технологии будущего

Новые методы визуализации и манипуляции атомами. Молекулами, кластерами и структурами позволяют создавать материалы с заранее заданными свойствами для конкретных целей. Материаловедение демонстрирует тенденцию проектирования материалов играющих пассивную структурную роль к материалам с активной функцией. Поэтому материалы будущего разрабатываются в совместной работе ученых разных специальностей от инженеров-электронщиков до химиков и клеточных биологов.

Материаловедение в настоящее время рассматривает поведение материи кроме экстремальной области физики элементарных частиц. Расширение применения связано с масштабом и функцией. Ключевой концепцией масштаба является иерархическая структура, которая определяется через множество шкал длин. Материалы приобретают функциональность, становятся активными, и начинают действовать как машины или приборы.

В 1990 гг. инновацией при синтезе материалов были комбинаторные методы получения композиционных материалов путем смешивания различных компонентов или веществ случайным или модулируемым образом. Пример создание мезопоровой формы диоксида кремния МСМ-41 содержащей цилиндрические каналы диаметром 10-100 нм., одинаковые по размеру в виде упорядоченных шестиугольников. Понимание процесса формирования, которое было достигнуто, включает матричную сборку самособирающихся кластеров молекул ПАВ, является существенным элементом конструктивной разработки подобных материалов в настоящее время.

Разработки в надмолекулярной химии дают необходимый для материаловедов контроль над структурой материала в манометровом масштабе. Надмолекулярная и коллоидная химия используют целые молекулы как блоки и разрабатываются пути их сборки в организованные структуры, используя водородные связи или координационный химизм ионов металлов.

Электрохимическая обработка в водном растворе дает тонкие пленки технологически ценной оксидной керамики: титановокислый барий, стронций и ниобат лития. Электроосаждение используют для получения многослойных сверх решеток металлов и керамических материалов.

Биоматериалы

Основным принципом разработки биомедицинских материалов является нахождение путей выращивания самой биологической ткани: выращивание новых органов ив культуре из клеток предполагаемого реципиента. это назвают тканевой инженерией. Две американские компании разработали синтетическую кожу Дермаграфт, выращивается из тканеобразующих эпидермальных клеток на мелкой сетке из биоразлагаемого полимера. Синтетическая кожа Графтскин использует коллагеновый матрикс. Ключевым является полимерный каркас, который должен медленно разлагаться клетками на нетоксичные продукты. Наилучшим материалом является сополимер молочной и гликолевой кислот.

Биомедицинские материалы развиваются в направлениях. 1) большей биологической целостности: синтетические материалы создаются с большой способностью к благоприятному взаимодействию с окружающими клетками. 2)выращивание настоящих биоматериалов с помощь каркаса, который направляет и стимулирует рост сначала, а затем разлагается при образовании тех тканей, которых они стимулировали.

«Умные» материалы

Актуаторами – называются материалы, которые сообщают механическую силу и совершают механическую работку в ответ на некоторые внешние стимулы.

Сенсоры – материалы, которые распознают и сигнализируют о некоторых важных изменениях в окружающей их среде.

Объединение сенсоров с актуаторами в единый технологический союз является элементом робототехники, где требуется сложное обрабатывающее информацию и распознающее образы программное обеспечение для обработки входных данных от сенсоров и перевода их через актуаторы в определенные действия.

Большая часть искусственных мышщ (т.е.материалов преобразующих электрический сигнал в механическое движение являются твердыми материалами). Это пьезоэлектрическая керамика: ферроэлектрики, титанат бария и цирконат-титанат свинца.

Действуя в обратном направлении(механическое движение вызывает электрическое поле) эти материалы являются сенсорами, вибрации, звука или гидроакустическими комплексами.

 

Бионические и самособирающиеся материалы

Оптимизация отдельного параметра биоматериала обычно включает точную регулировку особого признака структуры. Комбинация нескольких желательных свойств является вопросом контроля структуры и организации в различных размерных масштабах. Природные материалы являются иерархическими структурами. особенно в древесине, сухожилиях.хряще и шелке и кости. Прочность кости обусловлена соединением органических и неорганических материалов(молекулы белка коллагена и кристалла минерала гидроксиапатита). Существуют определенные типы организации в первичной структуре спиралей коллагена, в расположении кристаллов вдоль фибрилл в масштабе 100 нм и расположение пластинок остеона в субмиллиметровом масштабе и макропористости основного вещества.

Близким к идее иерархии является использование модульности структуры- создание материалов путем сборки одинаковых мелких единиц.(древесина).

Главный мотив природных конструкционных материалов – ориентационный контроль роста волокон. Перламутр - слоистая структура из минеральных и белковых пластинок. Основной механизм прочности связан с наличием прослоек между минеральными пластинками.

Основным признаком самособирающихся химических систем является наличие информационной программы создания суперструктуры. Молекулы материала способны взаимодействовать с высокой направленностью в пространстве, что обеспечивает процесс самосборки в требуемую структуру.

В настоящее время «программная» молекула ДНК используется как конструкция для синтеза материалов. Важным моментом для химика –материаловеда является то, что информации по воспроизводству заключается в высокоспецифических внутримолекулярных взаимодействиях, что обеспечивает сборку комплементарной ДНК и матричной РНК часть за часть по одной нити ДНК. Используя этот молекулярный механизм, были созданы синтетические нити ДНК в виде топологически сложных структур как многогранники, а также в виде крупных упорядоченных плоских совокупностей петель ДНК, напоминающих молекулярную кольчугу. См рис молекула в форме усеченного двадцатигранника, полученная путем программирования самосборки нитей ДНК.

Полезным приемом самосборки является использование матриц.

Наномасштабные материалы и сборка

Поликристаллические материалы становятся тверже при уменьшении размеров ( мкм) отдельных кристаллических зерен (эффект Холла-Петча). Это связано с затруднением перемещения атомов - основного механизма деформации – в результате увеличения границ зерен.

При достижении зернами размера 100 нм в диаметре действует новый механизм увеличения прочности: зерна слишком малы даже для возникновения перемещений. Наномасштабный размер зерен в керамике может вызвать увеличение пластичности, связанное со скольжением на границах зерен, между которыми образуется жидкость служащая смазкой.

Длина волны, которую испускают полупроводники, может быть изменена путем изменения размера частиц. Светодиод с излучающим элементом в виде тонной пленки частиц селенида кадмия толщиной несколько нанометров.

 

Заключение

Благодаря своим феноменальным свойствам (рекордные механические характеристики, уникальной тепло- и электропроводностью, оптическим и магнитным свойствам, и металлической или полупроводниковой проводимости в зависимости от геометрических параметров) и их сочетаниям углеродные нанотрубки обладают широчайшим потенциалом применений: сверхпрочные волокна, пряжа, ткань, композиционные материалы, чипы памяти, логические схемы, наносенсоры, полевые эмиттеры. НЭМС, искусственные мускулы, топливные элементы, хранилища для газов. солнечные батареи, ион-литиевые батареи, суперконденсаторы, адсорбенты, биодатчики, средства для внутриклеточной доставки лекарства, материалы для имплантатов и протезов, источники рентгеновского излучения, электромагнитные экраны, материалы для оптоэлектроники и волоконные сенсорные системы, нанокатализаторы, элементы будущих наномашин и т.д. Не меньшие перспективы имеет графен и другие двумерные материалы.

Материаловедение в настоящее время благодаря наноматериалам и нанотехнологиям превратилось из инженерной дисциплины в основную часть фундаментальной и прикладной междисциплинарной науки, где сотрудничают ученые многих направлений.

Будущее информационных технологий, энергетики, транспорта, космических технологий медицины и химической технологии зависят от изобретения новых материалов.

Нанотехнологии, вместе с биотехнологиями (клеточной и молекулярной) и информационными технологиями являются ключевыми технологиями в новой индустриальной революции первой четверти XXI-го века, и вносят решающий вклад в формирование шестого технологического уклада.

 

Косцов Э.Г. Наноэлектромеханические системы с.662-675. в книге

Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. Сборник, М.:Техносфера. 2009-991 с.

Литература

1.Пул-мл Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии изд. 5-е, М.:Техносфера,2010.-336 с.

2.Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов Изд2-е –М.: «Либроком» 2009.-592 с.

3.Лозовой В.Н., Константинова Г.С., Лозовой С.В., Нанотехнология в электронике, 2-е изд.. СПб.: Лань, 2008.-336 с.

4. Получение и исследование наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнолгиям/ [Евдокимов А.А. и др.] под ред.Сигова А.С..-М.: «Бином. Лаборатория знаний»,2010.-146 с.

5.Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов: Уч. пособие. –М. МГИУ, 2007. - 424 с.

Издания в ПНИПУ

1.Анциферова И. В. Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками: учеб. Пособие. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2012.-345 с.

2.ПорозоваС.Е., Кульметьева В.Б. Получение наночастиц и наноматериалов: учеб. пособие, Пермь: Изд.-во ПНИПУ, 2010.-135 с.

3.Иванов А.С., Пахомов Г.И. Физические основы микро и нанотехнологий. учеб. пособие. Пермь: Изд.-во ПНИПУ, 2011.-311 с.