Презентация, доклад в профильном классе на элективных курсах

жидкости

г. Медногорск 2011-2012 учебный год

Научно-практическая конференция

Секция: ФИЗИКА

физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника. Принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том, что поверхность таких частиц или огромных молекул чрезвычайно велика по отношению к их объёму. Такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира, такими, как стол, книга, песок. Их поведение, благодаря высокоразвитой поверхности, сильно отличается от поведения и истинных растворов и расплавов, и объектов макро мира. Как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль, когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров: отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь.

высыхающих на твердом горизонтальном непроницаемом основании каплях жидкостей, содержащих наночастицы и растворенные вещества.

Цель исследования:

раствора.

Основные задачи:

2. Проанализировать модели процессов, протекающих в высыхающих каплях, на основе публикаций по направлению исследований.

3. Изучить влияние закона испарения на гидродинамические течения и пространственное перераспределение веществ внутри капли.

4. Разработать модели, с помощью виртуального лабораторного практикума «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» - nanoModel, позволяющие исследовать динамику эволюции формы капли каллоидного раствора.

наночастицы.

Методы исследования: Математическое моделирование процессов перераспределения веществ и эволюции фазовой границы в высыхающих каплях при образовании архитектуры наночастиц с использованием программного комплекса nanoModel 2.6

Научная новизна: Все выводы и результаты, приведенные в исследовательской работе, являются оригинальными.

института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.

Немного из истории

они образуют золу и дым.
Уголь и алмазы, рак и здоровая ткань: вариации в упорядочении атомов различили дешевое от драгоценного, больное от здорового.
Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.
В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

Нанороботы

Робот-амёба: перспектива освоения других планет

осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

строительство. Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже.

При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза. Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он используется в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.

ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.

Электроника

из микросфер («кольца») определенной архитектуры, зависящей от многих параметров. Поэтому, для получения наноструктурированных материалов с заранее заданными свойствами весьма актуальным является изучение влияний различных исходных параметров на конечную архитектуру рабочего элемента – нанесенного «кольца».

«Самосборка ансамблей микро- и наночастиц в капле растворителя»:

Цель работы:
Исследование зависимости морфологии ( характера расположения на подложке и упорядочения) ансамбля микро- и наночастиц, получаемой в результате самосборки, а также времени высыхания растворителя, от физико-химических параметров системы ( смачиваемости подложки, гистерезиса контактного угла, размера и количества частиц).

частиц путем компьютерного моделирования процессов в высыхающей капле коллоидного раствора.
Ознакомление с основными движущими силами процессов самосборки и их применением для получения структуры с заданной морфологией.
Ознакомление с методом диссипативной динамики частиц как инструмента компьютерного расчета морфологии ансамбля наночастицв высыхающей микрокапле раствора.
Конкретные задания могут включать исследования воздействия на самосборку следующих параметров системы:
Cмачиваемости раствором подложки (задается величиной контактного угла φ); рекомендуемые диапазоны 300-900
Радиуса частиц R (от 50 нм до 1000 нм, шаг варьирования выбрать самостоятельно, предлагаемый по умолчанию вариант - 50 нм)
Количества частиц в ансамбле N (от 500 до 10000, шаг варьирования выбрать самостоятельно, предлагаемый по умолчанию вариант – 500)

на создание архитектуры наночастиц при высыханиии капли жидкости в следующих веществах:

при использовании следующих растворителей :спирт, скипидар, вода, масло(машинное). Плотность растворителя варьируется в диапазоне от 800 кг/м3 до 1000 кг/м3. При использовании серной кислоты четкой архитектуры колец не наблюдается.

создание архитектуры наночастиц при высыхании.

при температуре 295 К (22˚С) и 300 К (27˚С). При других,более высоких температурах , архитектура колец не успевает выстроиться, так как время высыхания капли имеет малый интервал, в результате турбулентные потоки не успевают сформировать архитектуру колец в капле жидкости.

на системах SiO2-вода-SiO2 и создание архитектуры наночастиц при высыхании.

при относительной влажности 50 до 70 %. Так же, как и с изменением температуры, очевидно, что от скорости испарения должна зависеть и архитектура наночастиц.

(угол между касательной к поверхности капли и горизонтальной прямой на создание архитектуры наночастиц при высыхании.

при угле контакта в 90˚.

производство наноматериалов становится одним из основных направлений научного и технологического развития во всем мире (в том числе и в России). Возросший в последнее время интерес к нанообъектам, объясняется целым рядом причин. Во-первых, научными. Например, исследование уникальных свойств, которые проявляют вещества, обладающие наноразмерами (повышенная электропроводимость, оптические и магнитные свойства, наблюдение квантово-размерных эффектов). Во-вторых, прикладными причинами: создание миниатюрных устройств, использование для сверхвысокой плотности записи информации, а также применение в прикладных задачах в различных областях химии, физики, биологии, микроэлектроники и других сферах .