авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЙ И

УПРАВЛЕНИЯ

Филиал ГОУВПО «МГУТУ» в г.Мелеузе

СТУДЕНЧЕСКАЯ НАУЧНАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

«ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ СРЕДСТВАМИ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ДИДАКТИКИ»

АВТОР: Шелепин Денис, студент 2 курса, спец. 220301 РУКОВОДИТЕЛИ:

Посягина Татьяна Александровна – доцент кафедры «Машины и аппараты пищевых производств»;

Смирнов Денис Юрьевич – доцент, зав.

кафедрой «Информационных технологий»

Мелеуз – ОГЛАВЛЕНИЕ Введение……………………………………………………………………….. Когнитивная карта №1 «Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики» ………………………………………………… Когнитивная карта №2 «Как расщепляется мгновение»………………..

Когнитивная карта №3 «Аллотропия углерода»………………………….

Когнитивная карта №4 «Углеродный нанобум»………………………….

Заключение……………………………………………………………………. Приложение…………………………...………………………………………. Введение Актуальность исследования. В настоящее время исследователями установлена прямая зависимость между экономическим ростом страны и коэффициентом образованности населения: чем ниже этот коэффициент, тем беднее страна. Образование как стратегический ресурс общества в современных условиях играет все возрастающую роль, от которого напрямую зависит наше будущее, национальная безопасность, экономическое возрождение России. Уместно привести в пример Японию, страну, которая в настоящее время заставила обратить на себя внимание, беспрецедентными темпами социально-экономического и интеллектуально-технологического прогресса и которая ещё за сто лет до этого по уровню образования была на одном из ведущих мест в мире. Следовательно, если «японскому чуду»

предшествовала столетняя образовательная работа на долгосрочную перспективу, то повышение качества высшего профессионального образования в кратчайшие сроки является очень важной и одновременно сложной гранью социального бытия современной России.

С другой стороны, Мария Рыбалкина акцентирирует внимание студентов на том, что «если в XIX веке не пользовались электричеством, значит ли это, что в XIX веке электричества не существовало в природе? Или это говорит лишь о том, что мысль человеческая была в то время не в силах обнаружить эти «таинственные силы» природы, известные в настоящее время как электромагнитные волны». В конечном счете, сложность нанонауки заключается в том, что необходимо познать разумом то, что не очевидно и требует интеллектуальных усилий самообразования как со стороны студента, так и преподавателя.

Степень научной разработанности проблемы. Новые направления в науке открываются не по приказу. Как правило, они возникают в результате длительных исследований в известных научных центрах мира. Труды исследователей П.Н. Лускиновича [7], В.В. Лучинина [8], Н. Кобаяси [4], М.К.

Роко [10], Х. Ленк [6], М.А. Рыбалкиной [11], С.М. Комарова [5] доказывают, что из отдельных исследований постепенно начала формироваться большая серьёзная наука нанотехнология с невероятным числом ответвлений в практические области. Несомненно, отмечая определённый вклад этих и многих других исследователей, мы видим, что за последние несколько лет интерес к нанотехнологиям со стороны крупных корпораций и даже государств приобрёл масштаб всемирной эпидемии. Общий объём инвестиций в мировом масштабе за период 2003-2009 гг. увеличился в 1,6 раза, при этом объём бюджетных ассигнований вырос в 2 раза, вложения корпоративного сектора в нанонауку увеличился в 2,3 раза, а общий объём венчурных инвестиций – в 3, раза. Нанотехнологические программы приняты в России, США, во Франции, в Великобритании, Китае. Принимая во внимание представленный масштаб нанотехнологий, следует отметить, по мнению А.Г. Алексенко [1], что в настоящее время уже наступила стадия внедрения промышленного производства новой продукции. Следовательно, возникает проблема подготовки кадров для рождающейся научно-технической отрасли.

Таким образом, актуальность данного исследования обусловлена существующим противоречием: между потребностями педагогической практики профессионального образования в дидактических средствах с более совершенными презентационными и логическими функциями и дефицитом теоретических и экспериментальных исследований дидактических основ аналитико-моделирующих средств для преподавания нанотехнологии в вузе.

Данные противоречия определили проблему исследования, заключающуюся в выявлении педагогических условий преподавания нанотехнологии в вузе.

Актуальность, недостаточная теоретическая и методическая разработанность сформулированной проблемы обусловили выбор темы исследования: «Представление нанотехнологии средствами инструментальной дидактики».

Цель исследования – выявить, теоретически обосновать и экспериментально проверить педагогические условия преподавания нанотехнологии для студентов технического вуза.

Объект исследования – процесс обучения нанотехнологии в вузе.

Предмет исследования – педагогические условия преподавания нанотехнологии для студентов технического вуза.

В соответствии с целью, объектом и предметом были определены следующие задачи исследования:

1. Выявить тенденции развития исследуемой проблемы в педагогической теории и практике.

2. Разработать комплект визуальных аналитико-моделирующих средств по нанотехнологии для обучения студентов технического вуза Для достижения поставленной цели, решения задач использованы следующие методы исследования: теоретический анализ научно-популярной, психолого-педагогической и методической литературы по проблеме исследования.

Поскольку полученные Новизна исследовательской работы:

результаты диссертационного исследования [9] показали перспективность дальнейшей разработки гипертекстовой мультимедийной технологии в когнитивных картах как навигаторах знаний, мы предлагаем адаптировать результаты исследования методики преподавания материаловедения на новое направление в науке – нанотехнологии. Это утверждение с методологической точки зрения одновременно предполагает совместное применение многомерно деятельностного подхода и учения об ориентировочных основах действий.

Педагогическим условием выполнения учебной деятельности студентов мы предлагаем расширение содержательной её части за счёт многомерного представления вышеназванного накопленного фундамента знаний ХХ века и организации дедуктивно-синтетической логики учебного процесса с опорой на визуальный графический каркас когнитивных карт с мультикодовым представлением информации.

Практическая значимость исследования состоит в следующем:

разработано электронное пособие на основе когнитивных карт с мультикодовым представлением информации по нанотехнологии. Конечно, мы не претендуем на систематическое изложение столь сложной и объемной теоретической базы нанонауки, поэтому это скорее попытка создать калейдоскоп когнитивных карт с мультикодовым представлением информации для начинающих постигать эту науку.

Когнитивная карта №1 «Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики»

Остановимся более подробно на анализе многомерного представления вышеназванной информации. Прежде всего, согласно требованию дидактической многомерной технологии Штейнберга В.Э. [15], проектирование дидактического обеспечения учебного процесса целесообразно предварять структурно-логическим анализом заявленного выше фундамента знаний ХХ века по определённому основанию, за которое мы принимаем событие – присуждение исследователю премии Альфреда Нобеля. Как хорошо известно, по завещанию [14], написанному в Париже 27 ноября 1895 года, известный изобретатель, промышленник и филантроп Альфред Нобель распорядился создать фонд, проценты с которого будут выдаваться в виде премии тем, кто в течение предшествующего года принёс наибольшую пользу человечеству, независимо от национальности. Если учесть, что Нобелевская премия является одной из наиболее престижных международных премий, присуждаемая за выдающиеся научные исследования, революционные изобретения или крупный вклад в культуру или развитие общества, то хронологический ряд событий, заключающихся в присуждении исследователям премии Альфреда Нобеля, неизбежно образно определит лицо уходящего ХХ века, названного современниками веком квантовой физики. Предлагаемое выше основание не снимает вопроса структуризации знаний, а только переводит его решение на технологическую основу.

Однако следует отметить, говоря о ХХ веке, как столетии квантовой физики, необходимо понимать, что произошло это не случайно и что революционные изменения в естествознании формировались во второй половине ХIХ столетия и были связаны с практической деятельностью человека. Исследованиями ряда авторов [1;

3;

7;

11;

12] установлено, что в конце ХIХ столетия благодаря техническому прогрессу – и прежде всего распространению электрического освещения и развитию светотехники – возник кризис естествознания – потребовалось чётко обосновать особенность спектров излучения нагретых тел. Из исследования этих особенностей и родилась современная квантовая физика.

Опираясь на парадигму многоуровневой организации материи и вещества и учитывая сложность познавательной ситуации современной науки о наноматериалах, выбираем в хронологическом порядке из всего списка лауреатов Нобелевской премии ХХ века [14] только тех, чьи темы исследований были связаны с атомным уровнем изучением материи (См. табл.

1). Так в 1900 году Макс Планк первым предложил для объяснения спектров излучения идею кванта. Последующим решающее слово было сказано Альбертом Эйнштейном, предложившим в 1905 году квантовое объяснение фотоэффекта. Именно за квантовую теорию фотоэффекта, а не за теорию относительности ему в 1921 году была присуждена Нобелевская премия по физике, потому что эта работа А. Эйнштейна сыграла ключевую роль в формировании квантовой теории.

Далее необходимо назвать целый ряд блестящих имён (См. табл.1), которым мы обязаны не только формированию квантовой физики, но и современным пониманием физических явлений: Нильс Бор, Луи де Бройль, Вернер Карл Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер, Лев Давидович Ландау и многие, многие другие.

Таблица 1.

Список Нобелевских лауреатов ХХ века в области квантовой физики № № Год Имя Тема к-ты узла 1 2 3 4 «В знак признания важных заслуг перед Вильгельм наукой, выразившихся в открытии 11 1901 Конрад замечательных лучей, названных Рентген впоследствии в его честь».

Уильям «За заслуги в исследовании кристаллов с 12 Генри Брэгг помощью рентгеновских лучей».

К1 Макс «В знак признания его заслуг в развитии 13 1918 Людвиг физики благодаря открытию квантов Планк энергии».

Альберт «За заслуги перед теоретической физикой и 14 Эйнштейн за объяснение закона фотоэффекта».

«За заслуги в исследовании строения атомов 15 1922 Нильс Бор и испускаемого ими излучения».

Луи де «За открытие волновой природы 21 Бройль электронов»

«За создание квантовой механики, Вернер Карл применение которой привело, помимо 22 Гейзенберг прочего, к открытию аллотропических форм водорода».

«За открытие новых продуктивных форм Эрвин 23 1933 атомной теории»

Шрёдингер К «За доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при Энрико облучении нейтронами, и связанное с этим 24 Ферми открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами».

«За открытие принципа запрета Паули».

Вольфганг 25 Паули 1 2 3 4 Хидеки «За предсказание существования мезонов на 31 Юкава основе теоретической работы по ядерным силам»

Игорь «За открытие и истолкование эффекта 32 1958 Евгеньевич Вавилова — Черенкова».

Тамм Лев «За пионерские теории конденсированных 33 1962 Давидович К3 сред, в особенности жидкого гелия».

Ландау «За фундаментальные работы в области Николай квантовой электроники, которые привели к 34 1964 Геннадиевич созданию излучателей и усилителей на Басов лазерно-мазерном принципе».

«За теоретическое предсказание свойств Брайан тока, проходящего через туннельный барьер, 35 1973 Дэвид в частности явлений, общеизвестных ныне Джозефсон под названием эффектов Джозефсона».

Пётр «За его базовые исследования и открытия в 41 1978 Леонидович физике низких температур».

Капица Клаус фон 42 1985 «За открытие квантового эффекта Холла».

Клитцинг «За изобретение сканирующего К4 43 1986 Герд Бинниг туннельного микроскопа».

Фредерик «За экспериментальное обнаружение 44 Рейнс нейтрино».

Жорес «За разработки в полупроводниковой 45 2000 Иванович технике».

Алфёров Назвав эти имена, подчеркнем, что квантовая физика в своё золотое время – 1920-1930-е годы – сформировала не только современную физическую теорию, но и современное научное мировоззрение людей, занимающихся естественными науками. Именно физические методы исследования, физический подход, по мнению Ж.И. Алферова [2] способствовали взлёту и развитию, как химии, так и биологии.

Наряду с этим, используя данные таблицы 1, рассматриваемый период ХХ века образно развернём центробежным («солярным») образом при помощи когнитивной карты (См. рис.1). При этом каждая координата определит четверть ХХ века как её измерение (или кластер узлов – событий присуждения исследователю премии Альфреда Нобеля, объединённых в группу), благодаря чему когнитивная карта становится многомерной. В межкоординатные секторы размещаем c помощью мультикодового представления информации элементы тех открытий, которые определили наиболее явно научно-технический прогресс ХХ века, привели к масштабным социальным изменениям и во многом предопределили современное развитие, как передовых стран, так и практически всего населения земного шара. Остановимся на этих открытиях.

В первую четверть межосевого пространства мы помещаем теоретическое и экспериментальное наследие вышеназванного золотого времени: модель атома и знакомые любому студенту из школьного курса химии формулы заполнения электронов в оболочке атома. Этот период был отмечен, прежде всего, работами в области ядерной физики, исследованиями радиоактивности, созданием современной теории атомного ядра, открытие на её основе деления урана под действием нейтронного облучения, сделанное О. Ганом и Ф.

Штрассманом в 1938 году. Как известно феномен ядерной энергии в прошлом, настоящем и будущем был, есть и будет чрезвычайно важным для людей.

Ядерная энергия крепкими узами связана с человечеством. И человечество ощутило себя единым и хрупким сущим впервые перед ядерной опасностью.

Во вторую четверть межосевого пространства мы помещаем продемонстрированные в августе 1945 года в Хиросиме и Нагасаки (а многие считают эти события специальным "экспериментом") последствия ядерной атаки гражданского объекта, ставшие для мировой общественности образом ужаса с одной стороны. Конечно, и сегодня, особенно после чернобыльской катастрофы, много говорится об опасности использования атомной энергии.

Однако с другой стороны, ядерный феномен - крупнейшее социально природное явление. Ему присущи вселенский, национальный и интернациональный аспекты. Феномен ядерной энергии многообразен. В простом перечислении "первого приближения" – это звёзды, ядерное оружие, ядерное сдерживание и нераспространение, часть тепла недр Земли и естественная радиоактивность в среде обитания человека. А также гражданская ядерная энергетика, атомные военные и гражданские, подводные и надводные суда, источники энергии длительного пользования для освоения космоса, радиоактивные отходы со сроком хранения в сотни тысяч лет. В конечном счёте, сколь критически ни оценивали бы мы прошлое нашей страны, нельзя не признать: именно создание ядерного оружия определило её судьбу во второй половине ХХ века, следовательно, и судьбу каждого из тех, кому выпало жить в это время. Тень взрывов Хиросимы и Нагасаки лежит на всем человечестве.

Когнитивная карта №1 “ Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики” II четверть К Паули 19 1 93 8 Ф ер ми 19 33 Шредингер Гейзенбер г 1 93 2 2 6 2 6 Fe (26) 1 S 2S 2p 3S 3p 3d 4S В зр ыв ато мной бо мбы над Хир а симой - 6.08.4 Бройл ь Бо р Эйнш тейн Б регг Рентг ен Пл анк 19 49 1958 1962 1 96 4 1 97 Л а уре аты - ф из ики К1 К 1922 Ю кава Тамм Л андау Басов Джо зефсон 1921 19 18 1 91 5 1 90 1 Х Х в ека I четверть III четверть Капица 1 97 Кл итцинг 1 98 Биннинг 19 Рейнс 1 99 Алфёр ов 20 С каниру ющий туннели р ующ ий мик ро скоп Биннинга Тр анз исто р К4 IV четверть “Будущее России определится не Богом, не верой в президента и его доброй волей, а научным потенциалом страны, развитием науки и образования” - Ж.И. Алфёров Рис.1 Когнитивная карта № В третью четверть межосевого пространства мы помещаем крупнейшее открытие в физике ХХ столетия – это создание транзистора, сделанное в году тремя выдающимися американскими физиками – Джоном Бардиным, Уолтером Братгейном и Уильямом Шокли в лаборатории компании «Белл телефон». Названное открытие стало следствием бурного развития физики полупроводников, полупроводниковой технологии и радиолокации в годы Второй мировой войны. Далее 23 декабря 1947 года был продемонстрирован первый транзисторный усилитель. Началась новая эра в электронике.

А несколько позже, по мнению Ж.И. Алферова [2], появилась широчайшая научно-техническая область, приведшая к огромным социальным изменениям в мире. В 1958 году была продемонстрирована первая интегральная схема. Современный микропроцессор со стороной 1,8 сантиметра имеет 8 миллионов транзисторов. Фотолитографические методы позволяют получать размеры 0,35 микрона и меньше до 0,1 микрона. Именно создание транзистора даёт нам право говорить о наступлении постиндустриального времени, времени информационного общества. Постепенно новейшая технология перешла на субмикронный уровень, на передний план выдвинулись нанотехнологические проблемы физики поверхности.

В четвёртую четверть межосевого пространства мы помещаем открытие сканирующего туннельного микроскопа, как средства для диагностики изучаемой поверхности металла. Основы теории туннельных переходов были заложены работами Л.И. Мандельштама и М.А. Леоновича. Туннельное прохождение сквозь потенциальный барьер лежит в основе многих явлений физики твёрдого тела, атомной и ядерной физики. Поскольку поверхность – это особое состояние вещества, электронные свойства и атомное строение её совсем не такие, как в объёме. В частности, из-за того, что у атомов в поверхностном слое химические связи оказываются разорванными при расколе кристалла и потому ненасыщенными, поверхностностные электроны приобретают тенденцию к образованию новых связей. Образуются димеры, что, в конечном счёте, приводит к реконструкции поверхности. Так постепенно возникла новая, «поверхностная» кристаллография, а количественное исследование микроскопических поверхностных характеристик, оказалась намного сложнее и разнообразнее объёмной кристаллографии. При этом исторически, только в декабре 1982 года появилось сенсационное сообщение:

швейцарским физикам Герду Биннигу и Генриху Рореру, работающим в филиале компании ИБМ в Цюрихе, удалось построить микроскоп нового типа, с помощью которого топографическая карта поверхности была снята с атомной точностью. Работа сканирующего туннельного микроскопа целиком основана на квантово-механических закономерностях, и поэтому его возможности близки к фундаментальным физическим пределам, на которые сегодня выходит нонотехнология.

В заключение можно сказать, что, рассматриваемая форма когнитивной карты с мультикодовым представлением столь масштабной информации, содержит существенную степень неопределённости операции «смысловой гранулированности» информации опорного узла – события присуждения исследователю премии Альфреда Нобеля. Поэтому отдавая дань уважения личности упомянутых великих учёных, используя энциклопедические данные [13] и топологическое свойство когнитивной карты, для любознательных студентов в приложении данной работы мы помещаем более подробный альбом биографий лауреатов Нобелевской премии и описание сути того открытия, за которое была присуждена премия. При этом логика сопоставления дат, имён и тем открытий великих исследователей ХХ века отмеченных выше в таблице 1, на когнитивной карте № 1 с мультикодовым представлением информации и биографических данных лауреатов приводят нас к некоторым дополнительным замечаниям.

Во-первых, каждое последующее открытие связано с предыдущим.

Примером может служить исследование кристаллов с помощью рентгеновских лучей в 1915 выполненное Уильям Генри Брэггом, которому предшествовало открытие в 1901 году Вильгельмом Рентгеном замечательных лучей, названных впоследствии в его честь и т.д.

Во-вторых, ясно прослеживается взаимосвязь, обмен информацией и учениками научных школ. Примером здесь может служить Петр Леонидович Капица, проработавший в течение пятнадцати лет (1921-1936 гг.) сотрудником Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Кроме этого Лев Давидович Ландау в 1929 году был в научной командировке для продолжения образования в Германии, в Дании у Нильса Бора, в Англии и Швейцарии. Там он работал вместе с ведущими физиками теоретиками, в том числе с Нильсом Бором, которого с тех пор считал своим единственным учителем.

В-третьих, вызывает сожаление инерция времени общественного признания открытий, свершенных в уходящем ХХ столетии. Примерами могут служить привычные и необходимые вещи каждому современнику в настоящее время: рентгеновское обследование в медицине, лазерный проигрыватель или мобильная связь постиндустриального общества. А вот что касается квантово размерных объектов физики конденсированного состояния, квантовых проволок и квантовых точек, то здесь, по мнению Ж.И. Алфёрова [3], совершенно точно можно ожидать в ХХI веке изменения фундаментальных физических представлений. Кто знает, сколько пройдет времени, пока до широкого общественного сознания будущих современников дойдут эти представления.

В-четвертых, рассуждая глобально, соотношение классического и квантового уровня материи положило начало переосмыслению взглядов на мир не только с точки зрения квантовой физики, но и философской точки зрения.

Сформулировав всеобъемлющий принцип комплементарности (дополнительности) в первой четверти ХХ вера, вместо борьбы противоположностей, учёные постепенно предложили их дополнение во имя мира, развития и образования человечества в ХХI веке.

Таким образом, можно с достаточной определенностью сказать, что многомерная организация фундамента знаний ХХ века по основанию – присуждение исследователю премии Альфреда Нобеля, поддерживаемая благодаря визуальному (графическому) каркасу когнитивной карты№ позволяет полнее и глубже раскрыть преемственность, взаимосвязь и дополнительность научной информации, доходчивее и проще изложить его студентам.

Литература 1. Алексенко, А.Г. Нанотехнологии и образование - вызов времени [Текст] / А.Г Алексенко, М.А Ананян, Л.Н. Патрикеев // Приборы. - 2002. – № 1(19). - С.51-53.

2. Алферов, Ж.И. Физика на пороге ХХI века [Текст] / Ж.И. Алферов // Наука и жизнь. – 2000. – №3. – С. 2-9.

3. Алферов, Ж.И. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу [Текст] / Ж.И. Алферов, А.Л. Асеев, С. В. Гапонов // Поиск. - 2002. – № 16 (19 апреля).

– С. 20-25.

4. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологии [Текст] / Н. Кобаяси: пер. с яп. – М: Издательский центр «БИНОМ Лаборатория знаний», 2005. – 250 с.

5. Комаров, С. М. Искусственные объекты наномира [Текст] / С. М.

Комаров // Химия и жизнь — ХХI век. - 2000. - № 5. - С. 10-17.

6. Ленк, X. Размышления о современной технике [Текст] / Х. Ленк. М.: Издательский центр «Дрофа», 1996. – 345 с.

7. Лускинович, П.Н. Нанотехнологии XXI века: аналитический обзор [Текст] / П. Н. Лускинович, П.В. Иванов, И. В. Волкова. изд. – М: Издательский центр «ВНТИЦ», 2001. – 210 с.

8. Лучинин, В. В. Введение в индустрию наносистем [Текст] / В. В.

Лучинин: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - 2-е изд, испр. и доп.

– М: Издательский центр «Мир», 2005. – 336 с.

9. Посягина, Т.А. Формирование системных познавательных умений студентов технического вуза: Дис…канд. пед. наук / Т.А. Посягина – Уфа, 2009.

– 165 с.

10. Роко, М.К. Нанотехнология в ближайшем десятилетии [Текст] / М.К. Роко, Р.С.Уильямса, П.Аливисатоса: Пер. с англ. - М.: Издательский центр «Мир», 2002. - 292 с.

11. Рыбалкина, М.А. Нанотехнологии для всех [Текст] / М.А.

Рыбалкина. - М.: Издательский центр «Эдиториал УРСС», 2005. - 520 с.

12. Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст]: учебник / Т.И. Трофимова. – М.: Изд-во «Высшая школа», 1994. – 542с.

13. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ. – М.:

Прогресс, 1992. Электронная версия: N-T.org - электронная библиотека.

Нобелевские лауреаты.

14. Лауреаты Нобелевской премии в области физики [Текст]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Нобелевская_премия_по_физике.

15. Штейнберг, В.Э. Дидактические многомерные инструменты:

Теория, методика, практика [Текст] / В.Э.Штейнберг. – М.: Народное образование, 2002. – 304 с.

Когнитивная карта №2 «Как расщепляется мгновение»

В течение трех последних десятилетий поддерживается неизменный и очень высокий темп роста всех существенных характеристик в микроэлектронике, несмотря на нарастающий уровень трудностей. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 наносекунды, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур.

Поскольку объем данных, передаваемых в Интернете, удваивается каждые три четыре месяца, в ближайшей перспективе даже лучшие из разрабатываемых в настоящее время полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки.

В связи с этим Ю.И. Головин [4] доказывает, что наиболее революционные достижения в области информатики приближаются к квантовым пределам, положенным самой Природой - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка около 1 пикосекунды, плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске размерами с наручные часы можно было бы поместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех жителей Земли.

Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие “0” и “1”, и допускать быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле - перейти с одного атома на другой). Это реализовало бы заветную мечту - одноэлектронное устройство. К сожалению, пока лучшие современные электронные средства неэкономно “тратят” сотни, тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность - переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое (например, воздействуя магнитным полем), чем и занимается спинтроника. При таких условиях научного поиска двух устойчивых состояний системы, остановимся более подробно на анализе многомерного представления продолжительности различных физических процессов.

В первую очередь Рудольф Карнап в философском обосновании физики [7] выделяет время, как одно из основных понятий, одна из координат пространства, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел.

Поэтому философской основой расщепления мгновения от космического масштаба материи до мира элементарных частиц принимаем парадигму многоуровневой организации материи и вещества. В соответствии с этим, структурно-логический анализ научной информации представляем сначала в виде таблицы 2. При этом обязательным условием для себя принимаем не только теоретическое расщепление мгновения, но и соответствие экспериментального метода или физического явления, подтверждающего длительность данного промежутка времени.

Таблица 2.

Как расщепляется мгновение №№ Знач. Названи Продолжительность к-ты узла е 1 2 3 4 11 Год 365сут. Период обращения Земли вокруг Солнца К1 12 Месяц 30 сут. Период обращения Луны вокруг Земли 13 Сутки 86400 с. Период вращения Земли относительно Солнца 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя 21 1 с. секунда сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия- Сгорание рабочей смеси в цилиндре К2 карбюраторного двигателя. Время, за которое 10-3 с. мили лопается мыльный пузырь.

Длительность импульса рубинового лазера.

Образование перешейка при отрыве капли.

- 23 10 с. микро- Взрыв капсюля патрона. Время экспозиции рентгеновской трубки.

Термодинамические, электрические, магнитные, механические движения в атомном масштабе, поверхностные явления твердого тела: тепловые 10-9 с. нано флуктуации атомов при комнатной температуре, например диффузия атомов индия на поверхности кристаллов меди и т.д.

Атомно-молекулярные явления: колебания кристаллической решетки (фононы);

самые быстрые шаги при свертке белков;

кинетика - К3 32 10 с. пико- фазовых переходов в твердых телах.

Электронные явления: кинетика носителей заряда в полупроводниках;

образование и разрыв химической связи.

Атомы можно считать неподвижными, и это уже область, в которой господствуют разнообразные электронные явления.

10-15 с. фемто Период колебания электромагнитного поля в световой волне.

1 2 3 4 Единственное, что хоть как-то движется на этих масштабах – самые внутренние электроны в многоэлектронных атомах.

Время Оже-эффекта, показывающего 10-18 с. атто перетекание электронных плотностей внутри атома.

Среднее время жизни элементарной частицы пи-нуль-мезона.

К Нет никаких движений ни атомов, ни даже электронов. Типичное время ядерных реакций.

10-21 с. зепто 42 Время жизни изотопов 120 и 124.

Среднее время жизни элементарной частицы сигма-нуль-гиперон.

Масштаб элементарных частиц. Существование 10-24 с. йокто 43 кварк-глюонной плазмы. Рождение-распад нестабильных элементарных частиц.

Одновременно, используя данные таблицы 2, процесс расщепления мгновения образно развернём графически центробежным («солярным») образом при помощи когнитивной карты (См. рис. 2). При этом каждая координата определит масштаб расщепления (или кластер узлов – численное значение времени, объединённых в группу), благодаря чему когнитивная карта становится многомерной. В межкоординатные секторы разместим c помощью мультикодового представления информации элементы процессов в природе или технике, которые представляют образно наиболее явно данный масштаб расщепления мгновения. Остановимся более подробно на этих процессах.

Прежде всего, говорить о том, что какое-то тело движется, можно лишь тогда, когда ясно, относительно какого другого тела – тела отсчета, изменилось его положение. В качестве примера П.В. Алексеев приводит [1]: «положение автомобиля, мчащегося по шоссе, изменяется относительно указателей на километровых столбах;

положение корабля, плывущего в море недалеко от берега, меняется относительно звёзд и береговой линии;

а о движении самолёта, летящего над землей, можно судить по изменению его положения относительно поверхности Земли». Поэтому мы выделяем общепринятую систему отсчёта, связанную с Землей, а масштаб измерения оси времени атомный эталон секунды (См. табл. 2) принятый в Международной системе измерений [6]. Для того чтобы подчеркнуть космический масштаб оси времени, в первую четверть межосевого пространства когнитивной карты (См. рис. 2) мы помещаем астрономическое определение года, основывающееся на периоде между повторениями различных астрономических событий, связанных с орбитальным движением Земли вокруг Солнца.

Когн итивная карта № 2 “Как расщеп ля ет ся мг новен ие” Тве рдое тело К м икр о 0,000 001с.

0,00 1с. м ил ли Процесс сгорания топлива в ДВС 1с. Сист ем а С И Астрономический год - 12 - - Го д 10 с.

Су тк и М есяц 1 0 с. 10 с.

М г но в ен и е К К1 фем по нано- пико 8 6 40 0 с. ~3 0 сут. ~3 65 су т.

Космос Вещество - атто 10 с.

- зепто - 10 с.

- йо к то - 10 с.

Процесс поверхностной сегрегации Термоядерная реакция К4 Я др о Вывод: Вместе с уменьшением размеров системы, уменьшается характерное время протекания разнообразных процессов в ней.

Рис.2 Когнитивная карта № Здесь же месяц – единица времени, используемая в календарях и приблизительно равная периоду обращения Луны вокруг Земли. Наконец, сутки – единица измерения времени, приблизительно равная периоду обращения Земли вокруг своей оси. Заметим, что в результате раскопок исследователи заключили, что люди считают дни в соответствии с фазами Луны, как минимум, с палеолита.

Затем миллисекунды, очень близкий к нам временной диапазон. Это понятие мига, которое мы ощущаем. В качестве примера этого временного диапазона во вторую четверть межосевого пространства когнитивной карты (См. рис. 2) мы помещаем термодинамический процесс сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), в результате которого химическая энергия углеводородного топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу автомобиля. Заметим, что значение ДВС для цивилизации трудно переоценить. Как подчеркнуто в Концепции развития автомобильной промышленности России [8]: «в настоящее время производство автомобильной техники осуществляется в тесной кооперации с предприятиями электротехнической, металлургической, химической, электронной, легкой и других отраслей промышленности, обеспечивая занятость около 5 млн. человек из числа трудоспособного населения, а объем автомобильного рынка исчисляется десятками миллиардов рублей». Даже, несмотря на недостатки ДВС, выделенные С.Н. Богдановым [2]: громоздкость, токсичные выбросы, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т.д., они еще долго будут приносить пользу людям. Таким образом, представленное выше не природное явление расщепления мгновения на миллисекунды, а связанное с наиболее точными техническими периодическими процессами ДВС для нас имеет особое значение, ибо ДВС вывели цивилизацию на новый уровень развития, а пройдя его, человечество поднялось еще выше.

Далее перейдем в следующий диапазон – это наносекунды. По мнению И.П. Иванова [5], в этом временном диапазоне мы изучаем вещество, когда уже совершенно не важно, из какого тела произошло оно, ибо мы переходим к изучению материи, а не тел. Поэтому в качестве образной иллюстрации этого временного диапазона мы помещаем в третью четверть межосевого пространства когнитивной карты (См. рис. 2) процесс поверхностной сегрегации [3]. Суть этого процесса заключается в изменении состава, структуры и свойств поверхностных слоёв атомов вещества в конденсированном, то есть в твердом или жидком состоянии. Это настоящая современная физика, то есть это то, что сейчас изучается в тысячах лабораториях мира, публикуется в сотнях журналов каждый день. Здесь никакое движение микроскопических тел не заметно, поэтому для исследования столь быстро протекающих процессов служит лазер.

Наконец перейдем в следующий аттосекундный диапазон (См. табл. 2) – это нечто совсем уже передовое, то есть буквально последние годы ученые только-только получили в аттосекундный диапазон с помощью импульсов рентгеновского или далекого ультрафиолетового излучения. И на этом спектр диапазон времен тоже не кончается. Есть еще более быстрые процессы, называемые зептосекунды. На зептосекундном масштабе уже, конечно, нет никаких движений ни атомов, ни даже электронов. Всё, что может происходить на этом масштабе, - это ядерные реакции. В качестве примера этого временного диапазона в четвертую четверть межосевого пространства когнитивной карты (См. рис. 2) мы помещаем процесс термоядерной реакции слияния легких ядер дейтерия и трития, сопровождающийся выделением огромного количество энергии [9]. Заметим, что до недавнего времени ученым представлялось несомненным, что термоядерный синтез является источником энергии Солнца и звезд, однако в настоящее время появились основания сомневаться в правильности этого утверждения. С одной стороны приведенный термоядерный синтез сопровождается возникновением нейтрино, количество которых можно оценить. С другой стороны проведенные измерения показали, что количество выделяющихся на Солнце нейтрино крайне мало. В связи с этим вопрос о природе солнечной энергии остается неясным. Однако осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии. Меньше, чем зептосекунды, есть диапазон, называемый йоктосекунды. Это масштаб элементарных частиц, даже ядра уже можно считать замороженными. Конечно, никакое реальное смещение тел за это время уже нельзя увидеть, поэтому приходится косвенно получать информацию об этих быстропротекающих процессах. Есть еще меньшие времена, для которых, к сожалению, пока не придумали приставки. Таким образом, йоктосекунды – это самые последние дольные приставки, которые зафиксированы в системе единиц СИ. В настоящее время зафиксированы процессы, которые мы уже достоверно знаем, протекают еще быстрее.

Например, самая тяжелая элементарная частица, топ-кварк, распадается примерно за 0,4 йоктосекунды. Поскольку согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга [9], чем меньше промежуток времени, тем больше требуется энергии для состояния системы, для исследования во временах еще меньших, чем йоктосекунды построен Большой адронный коллайдер LHC.

На основании вышеизложенного многомерного представления временной оси расщепления мгновения в форме когнитивной карты с мультикодовым представлением информации (См. рис. 2) можно сделать следующие выводы:

Во-первых, философская бесконечность течения времени показывает, что человечество снова стоит на пороге новых революционных решений и технологических прорывов, которые принесут такие изменения в нашу жизнь, которые нам и не снились, но необходимо быть готовым к ним.

Во-вторых, в силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) очевидно вместе с уменьшением размеров системы падает и характерное время протекания разнообразных процессов в ней, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие.

В заключении, подчеркнем пользу человеческой способности постигать разумом то, что неочевидно. Поддерживаемое соответствие мгновения и эксперимента благодаря визуальному (графическому) каркасу когнитивной карты №2 позволяет увидеть логико-смысловую канву сообщения, понять систему изложения автором информации в целом, а также ход развития каждой отдельной мысли.

Литература 1. Алексеев, П.В. Философия [Текст] / П.В. Алексеев, А.В. Панин: Учебник..

– М.: ТК Велби, Изд-во Проспект, 2003. — 608 с.

2. Богданов, С.Н. Автомобильные двигатели [Текст] / С.Н. Богданов, М.М.

Буренков, И.Е. Иванов: учебник для автотранспортных техникумов. – М.:

Машиностроение, 1987. – 368 с.

3. Вяткин, Г.П. Поверхностная сегрегация и десорбция при фазовых переходах в металлах [Текст] / Г.П.Вяткин,Т.П.Привалова: монография. – Челябинск. : Изд-во ЧГТУ, 1996. - 275 с.

4. Головин, Ю.И. Нанотехнологическая революция стартовала [Текст] / Ю.И. Головин // Природа. - 2004. – № 1. - С.25-36.

5. Иванов, И.П. Как расщепляют мгновение [Текст] / И.П. Иванов. – Режим доступа: http://elementy.ru/lib/ 6. Кондрашов, А.П. От альфы до омеги [Текст] / А.П. Кондрашов:

Справочник необходимых знаний. – М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2002. – 768 с.

7. Карнап, Р. Философские основания физики [Текст] / Р. Карнап: Введение в философию науки. – М.: Прогресс, 1971. – 392 с.

8. Концепция развития автомобильной промышленности России. Документ одобрен распоряжением правительства № 978 р от 16 июля 2002 года. См.:

http://www.strana.ru/ 19.07.02.

9. Савельев, И.В. Курс общей физики, т. 3 [Текст] / И.В. Савельев: учебник для втузов. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. – 304 с.

Когнитивная карта №3 «Аллотропия углерода»

С углеродом человек знаком с незапамятных времен. Как известно из справочной литературы [7], элемент, занявший шестую клетку в таблице Д. И.

Менделеева, широко распространён в космосе;

на Солнце он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода;

в земной коре его содержится 0,023% по массе. Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод – основа жизни.

По мнению Б.А. Кузьмина [1], традиционно углерод широко применяется в материаловедении как восстановитель в металлургических процессах, входит в состав всех чугунов и сталей, используется для изготовления тиглей, электродов, графитовых и пористых подшипников. Наряду с этим соединения, содержащие углерод, находят применение для цементации, цианирования, борирования и многих других целей.

Однако следует отметить, что в последние годы отмечается быстрый рост научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу углеродных материалов, появление которого отразило стремление к миниатюризации в практике построения различных объектов. Более того по оценке американских экспертов [8], в ближайшие 20 лет 90% современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех областях техники. В связи с этим исследователями: Н.Г. Рамбиди [3], П.П. Мальцевым [2], У. Хартман [8] была предложена новая парадигма в технологии - “снизу вверх”, вытесняющая и дополняющая старую парадигму - “сверху вниз”, базирующаяся на глубоких знаниях свойств каждого атома из таблицы Менделеева и использующая силы притяжения между ними при нанометровых расстояниях. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации, стабильность которых определяется типом и прочностью внутренних связей, абсолютной температурой и характером окружения.

Согласно выше заявленной парадигмы, металлическую систему можно рассматривать, по мнению В.П. Тимофеева [6], с естественно-философских позиций как фрагмент физической реальности, имеющий, ряд структурных уровней. Мы согласны с этой позицией в целом. Среди заявленных уровней наиболее интересным, с нашей точки зрения, является многомерное представлении металлической системы на самом глубоком уровне рассмотрения – атомарном. При принятых условиях свертывания существующего достоверного учебно-научного материала, структурно логический анализ информации представляем сначала в виде таблицы 3. При этом обязательным условием для себя определяем не только теоретическое описание аллотропных форм углерода, но и приведение однотипных числовых значений справочных величин конечных свойств материала, характеризующих каждую форму для их сравнения.

Таблица 3.

Аллотропия углерода № № Наименование «Смысловая гранулированность» узла к-ты узла узла 1 2 3 Углерод (латинское Carboneum), С, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 6, атомная масса 12,011. Атомное ядро углерода состоит из протонов и N нейтронов, где N = 6;

7 и 8.

11 Ядро Известны два стабильных изотопа: 12C (98,892%) и 13C (1,108%). Из радиоактивных изотопов наиболее важен 14C с периодом полураспада 5570 лет [7].

Атом углерода имеет 6 электронов, 2 из которых образуют внутренний слой (1s2), а 4 (2s22p2) – внешний. Для углерода характерно образование Электронная четырёх ковалентных связей. Причем число конфигурация валентных электронов и число валентных орбиталей одинаково;

это одна из причин устойчивости связи между атомами [7].

К1 Углерод -4;

+2;

+4. При обычных условиях, углерод химически инертен, при высоких температурах Степень он соединяется со многими элементами, окисления проявляя сильные восстановительные свойства [7].

Rа = 91 пм. Уникальная способность атомов углерода соединяться между собой с образованием прочных и длинных цепей и 14 Радиус атома циклов привела к возникновению громадного числа разнообразных соединений углерода изучаемых органической химией [7].

t пл. = 3825 0 С. По сравнению со средним содержанием в земной коре человечество в исключительно больших количествах извлекает Температура 15 углерод из недр (уголь, нефть, природный газ), плавления так как эти ископаемые - основной источник энергии [7].

1 2 3 Гексагональная: атомы углерода расположены в 21 Структура параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. a = 0,246 нм.;

c = 0,671 нм. [1].

= 2,08-3,23 г/см3. Благодаря плоской структуре К2 Графит графита электроны свободно двигаются в его 22 Плотность слоях, с чем связана его высокая электро- и теплопроводность [1].

23 Твердость 1-2 по шкале Мооса. [1].

24 Цвет Цвет тёмно-серый, блеск металлический. [1].

t пл. = 3500 0 С. В природе графит – самое Температура плавления тугоплавкое простое вещество [1].

Кубическая, каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших 31 Структура атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза. Параметр решётки: а = 0,3567нм. [1] = 3,47-4,55 г/см3. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими 32 Плотность известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Алмаз является диэлектриком. [1] 10 по шкале Мооса. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе — всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок К3 Алмаз адсорбированного газа, играющих роль 33 Твердость своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5—0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание [1].

Бесцветный, желтоватый, коричневый, иногда зелёный, синий, красноватый.

34 Цвет Показатель преломления алмаза: n = 2, (Показатель преломления воды n = 1,33) [1].

t пл. = 3700-40000 С. На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720— Температура 35 °C, полностью превращаясь, в конечном счёте, в плавления углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15 30 минут [1].

1 2 4 Усеченный икосаэдр: в молекуле С60 атомы углерода связаны между собой ковалентной связью. Каждый атом углерода в молекуле С связан с тремя другими атомами, образуя при этом правильные пятиугольники (их 12) и Параметры неправильные шестиугольники (их 20). Длина 41 гипермолекула связи С – С в пентагоне составляет 0,143 нм, углерода С такая же длина стороны гексагона, являющейся общей для обеих фигур, но сторона, общая для двух гексагонов (С = С) имеет длину 0,139 нм.

[3].

= 1,7 г/см3. Этот многогранник имеет высокую симметрию, наиболее близкую к сферической, поэтому молекулу С60 можно рассматривать как сферическую оболочку. Толщина ее составляет приблизительно 0,1 нм, а радиус 0,36 нм.

Обилие изолированных кратных связей Плотность позволяет считать фуллерен полиолефиновой К4 Фуллерен С системой. Для него наиболее типично фуллерита С присоединение по кратной связи. В кристаллическом виде он не реагирует с кислородом воздуха, устойчив к действию кислот и щелочей. Чистый фуллерен при комнатной температуре является изолятором с величиной запрещенной зоны более 2 эВ. [3] При 4000C t -130C молекулы С60 образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку с постоянной 1, нм. В связи с тем, что силы взаимодействия между молекулами С60 в кристалле малы, а симметрия очень высока, молекулы фуллерена вращаются и к ним вполне применима Фазовый отмеченная выше модель шарового слоя [3].

переход При t = -130С происходит фазовый переход первого рода первого рода молекулы фуллерена образуют фуллерита С кубическую (ПК) решетку (постоянная решётки 1,411 нм) с одновременным замораживанием вращательного движения молекул вследствие увеличения энергии межмолекулярного взаимодействия. Полное замораживание вращений молекул происходит при t = -1080С.

t суб. = 400 0 С Существенное отличие кристаллов фуллерита от молекулярных кристаллов многих других органических веществ в том, что у них не удаётся наблюдать жидкую фазу. Возможно, Температура это связано с тем, что температура 1200 K сублимации С60 перехода в жидкое состояние, которая приписывается фуллериту С60, уже превышает то её значение, при котором наступает заметная деструкция углеродного каркаса самих молекул фуллерена [4].

Впервые возможность существования высокосимметричной молекулы углерода, была представлена японскими учеными Е. Осава и З.

Иошилда в 1970 году. Чуть позже российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн сделали первые теоретические квантовохимические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

Открытие Только спустя 15 лет, в 1985 году, 45 фуллерита С60 американским исследователям: Х. Крото, С.О.

Брайен, Р. Карл и Р. Смелли удалось синтезировать молекулу С60. Для этого твердая графитовая мишень подвергалась воздействию мощного лазерного излучения в струе гелия. В результате происходило образование хаотической плазмы, имеющей температуру 5000 – 100000С, где и синтезировались молекулы С60, которые идентифицировались методом масс – спектроскопии [5].

Параллельно, используя данные таблицы 3, ключевые слова и фразы, аллотропные формы углерода развернём графически центробежным («солярным») образом при помощи когнитивной карты №3 (См.


рис.3). При этом первая координата определяет характеристику атома углерода (или кластер узлов – справочных данных атома углерода, объединённых в группу), вторая, третья и четвертая представляют его природные аллотропные формы, благодаря чему когнитивная карта становится многомерной. В межкоординатные секторы размещаем c помощью мультикодового представления информации структуры графита, алмаза, фуллерена и диаграмму фазовых состояний фуллерита. В дальнейшем изложении докажем лишний раз, что аллотропные модификации углерода оказывают влияние на физические свойства твердых тел на основе углерода: графита, алмаза и фуллерита. В качестве аргументов приведем более подробно справочные данные физических свойств этих веществ [1;

3;

7]:

К о гн и т ив н а я ка р т а № 3 “ А л л о т р о п и я у гл е р од а ” Гр а ф и т К Ц в. Т - с е р.

35 00 С tп л п о ш к. М о ос а Тв. 1- 2, 0 8- 3, 2 3 г / см p Кубическая структ ура алмаза Гексагональн а я структура граф ита 0, 24 6н м /0, 67 1н м а/c 3 2, tпл 3, 23 г / см а О б ол оч к а Я д ро С т. о к и с л. Rа А л л отр о п и я К 2 2 n К1 2 Тв. п о ш к. М о ос а 4 0 00 С у гл е ро д а Алмаз p 0,35 67 н м 0,0 91н м 1 S 2 S 2p -4;

+ 2;

+ 4 С tС 0,14 3 н м /0,1 3 9н м а/c Атом углерода p 1,7 г / с м 40 - 13 С tф ГЦК (а = 1,415 нм. ) 4 00 0 С t су б - О т кр ы т и е 1 98 5г.

-10 8 ПК (а = 1,411 нм.) Ст руктура вы пуклого мно гогранни ка полой м олекулы фуллерена С Диаграмма ф азовых состояний фу ллерита С К4 Ф ул л е р ен С 6. Графит, алмаз и фуллерен являются аллотропны ми природными формами углерода. Причем алмаз и графит имеют на своей поверхности свободные связи, которые стремятся насытиться и захватывают посторонние атомы примеси, а в фуллерене свободных связей нет, все они замкнуты, поэтому он - наиболее чистый, беспримесны й аллотроп углерода.

Рис.3 Когнитивная карта № В первую четверть межосевого пространства когнитивной карты №3 (См.

рис. 3) мы помещаем гексогональную структуру графита. Графит - очень распространенный в природе минерал, устойчивая модификация углерода.

Графит встречается в виде чешуек черного или серого цвета с металлическим блеском, различных по форме и размеру. На ощупь графит жирный. Его используют в металлургии, для изготовления плавильных тиглей и лодочек, труб, испарителей, кристаллизаторов, чехлов для термопар, в качестве противопригарной "присыпки" и смазки литейных форм. Он также служит для изготовления электродов и нагревательных элементов. Графит используют в атомной технике, в ракетной технике, в химическом машиностроении. Графит очень мягкий и скользкий минерал, широко используемый в качестве смазочного материала, а также для изготовления грифелей для карандашей.

Благодаря плоской структуре графита электроны свободно двигаются в его слоях, с чем связана его высокая электро- и теплопроводность.

Во вторую четверть межосевого пространства когнитивной карты № (См. рис. 3) мы помещаем кубическую структуру алмаза. Главные отличительные черты алмаза – высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел, большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать – светиться различными цветами. Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.

В третью четверть межосевого пространства когнитивной карты №3 (См.

рис. 3) мы помещаем кубическую структуру выпуклого многогранника полой молекулы фуллерена С60, где вершинами служат атомы углерода, а ребрами их валентные связи. Природа объединила в одном объекте многие противоречивые понятия. С одной стороны, по мнению С.Г. Тиходеева [5], С60 – это единственная молекулярная форма углерода, свободных связей у фуллерена С нет, и этим объясняется его большая химическая устойчивость и механическая прочность. С другой стороны, по мнению Л.Н. Сидорова [4], главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность.

Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. Н.Г. Рамбиди [3] называет молекулу фуллерена “вакуумным пузырьком”, для которого не подходит общеизвестный тезис о том, что природа не терпит пустоты. Вакуум и материя – две основы мироздания гармонично объединились в одной молекуле. Ясно, что фуллерен С60 – удивительная молекула. Природа создала его двуликим Янусом. В нем, например, гармонично объединились вакуум и материя – две основы мироздания. Если заглянуть внутрь этого необычного шарика, то можно обнаружить пустоту, пронизанную электромагнитными полями. Фуллерен представляет собой связующее звено между органической и неорганической материей. Это и молекула, и частица, и кластер.

В четвертую четверть межосевого пространства когнитивной карты № (См. рис. 3) мы помещаем диаграмму фазовых состояний кристаллического вещества на основе молекул фуллерена С60. Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами [3]. Наиболее изученная система такого рода – кристалл С60. Как показывают эксперименты [2], твердый фуллерен С60 без разложения сублимируется при 400°C. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны - и - связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C60. Если к этому добавить способность фуллерена, в отличие от графита и алмаза, растворяться в органических растворителях и образовывать множество новых соединений с разными элементами, то становится понятно, почему от него стали ожидать чудес.

Наконец, на основании приведенных доводов можно сделать следующие выводы:

Во-первых, рассмотренное различие аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза и фуллерена является ярким классическим примером влияния кристаллического строения твердых веществ на их физические свойства.

Во-вторых, с точки зрения материаловедения, графит, алмаз и фуллерен являются аллотропными природными формами углерода. Причем алмаз и графит имеют на своей поверхности свободные связи, которые стремятся насытиться и захватывают посторонние примеси, а в фуллерене свободных связей нет, все они замкнуты, поэтому он наиболее чистый, беспримесный аллотроп углерода. Открытие фуллерена знаменовало появление класса соединений, представляющих собой новую необычную форму элементарного углерода.

Таким образом, многомерное представление металлической системы углерода на атомарном уровне в форме когнитивной карты с мультикодовым представлением информации, поддерживаемая благодаря визуальному (графическому) каркасу когнитивной карты №3, позволяет сориентироваться студенту в общей композиции свертывания, существующего достоверного учебно-научного материала, лаконично сформулировать основную информацию, не перенося на письмо всю ее целиком и дословно.

Литература 1. Кузьмин, Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы [Текст] / Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, В.К. Ефремов: учебник для машиностроительных техникумов. – М.: Машиностроение, 1981. – 351 с.

2. Мальцев, П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника [Текст] // Сборник под ред. д.т.н. проф. П.П. Мальцева: мировые достижения за 2005 год. – М.: Техносфера, 2006. – 152 с.

3. Рамбиди, Н.Г. Физические и химические основы нанотехнологий [Текст] / Н.Г. Рамбиди, А.В. Березкин: учебник. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 456 с.

4. Сидоров, Л.Н. Фуллерены [Текст] / Л.Н. Сидоров, М.А. Юрковская:

учебное пособие. М.: Издательство "Экзамен", 2005. - 688 с.

5. Тиходеев, С.Г. С60 – футбольный мяч для физиков и химиков [Текст] / С.Г. Тиходеев // Наука и жизнь. – 1992. – №7. – С. 8-11.

6. Тимофеев, В.Л. Структурно-энерго-временной анализ физических объектов: применение в металловедении и механике [Текст] / В.Л. Тимофеев:

монография. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. – 316 с.

7. Третьяков, Ю.Д. Химия [Текст] / Ю.Д. Третьяков, Н.Н. Олейников, Я.А. Кеслер, И.В. Казимирчик: справочные материалы. – М.: Просвещение, 1989. – 224 с.

8. Уайтсайдс, Дж. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии.

Прогноз направления исследований [Текст] / Дж. Уайтсайдс, Д. Эйглер, Р.

Андерс: пер. с англ. – М.: Мир, 2002. – 292 с.

9. Хартманн, У. Очарование нанотехнологии [Текст] / У. Хартманн:

пер. с нем. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 173 с.

Когнитивная карта №4 «Углеродный нанобум»

В настоящее время в мире наблюдается быстрый рост производства в области углеродных нанотехнологий. По данным информационной компании «Scientifica» [1], пять лет назад объём продаж наноуглеродных материалов составлял полторы сотни миллионов евро, в 2010 году он достигнет трёх миллиардов евро. И это лишь материалы, а не конечная продукция. В Европе нанотрубки изготавливают около полусотни тонн в год, США и Япония производят до нескольких тысяч тонн нанотрубок в год. Однако в России до настоящего времени углеродные наноматериалы синтезировали лишь в небольших количествах на лабораторных установках академических и учебных институтов. Причем, С.В. Калюжный свидетельствует[6], что на начало февраля 2009 года в РОСНАНО утверждено девять проектов из двухсот заявленных, хотя в стране зарегистрировано более тысячи организаций, занимающихся нанотехнологиями. Более того, мы разделяем мнение М.В.


Ковальчук [8], Н.Г. Рамбиди [12], И.В. Золотухина [5] и других исследователей в том, что необходимо принимать меры уже сейчас по сокращения существенного отставания России в производстве углеродных нанотехнологий от мировых лидеров. Наряду с этим, практически все отечественные направления науки и техники в той или иной степени «вписываются» в систему координат нанореволюции. Так, по мнению М.В. Ковальчука [8], нанотехнологии – это глобальный научный прорыв. Они могут изменить весь технологический мир и в корне меняют возможности производства. Поэтому представим нанотехнологии с различных сторон.

С одной стороны, в прагматическом аспекте, по мнению М.А.

Рыбалкиной [13], нанотехнологии – это способность создавать совершенно новые материалы с заранее заданными свойствами, при этом цивилизация может получить возможность пользоваться такими материалами, о которых ранее не могла и мечтать. В конечном счете, мир наполнят вещи с совершенно иными характеристиками и свойствами, на несколько порядков выше тех, которыми мы пользуемся сейчас. С другой стороны, нанотехнологии в научном аспекте, по мнению И.В. Золотухина [5], это объединение многих научных дисциплин на новом историческом витке, когда ученый снова становится естествоиспытателем, как во времена Ньютона, но на принципиально новом уровне знаний. Мы согласны с обеими позициями вышеупомянутых исследователей в целом. Поэтому многомерное представление системы «Углеродный нанобум» принимаем на самом глубоком уровне рассмотрения – атомарном. В дальнейшем изложении остановимся более подробно на дидактическом аспекте нанотехнологий. При принятых условиях свертывания существующего, доступного нам, материала по нанотехнологии, структурно логический анализ информации представляем сначала в виде таблицы 4. В то же время обязательным условием в дальнейшем изложении определяем максимальное объединение вышеназванного прагматического и научного аспекта нанотехнологий.

Таблица 4.

Углеродный нанобум № № Наименование «Смысловая гранулированность» узла к-ты узла узла 1 2 3 Почти сферическая молекула фуллерена имеет атомарную гладкость и очень прочна химически и механически: после удара о стальную стенку со скоростью порядка первой космической футболино не разрушается. Можно даже усовершенствовать футболино, покрыв его 11 С60F слоем «тефлона» - разомкнув двойные связи между атомами углерода и присоединив к ним атомы фтора. Такая молекула – С60F60 – самый маленький в мире шарикоподшипник – уже синтезирована [14].

Легирование С60 производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом К1 Легированный С образуется структура типа X3С60 (Х — атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий.

Фуллериды Переход соединения К3С60 в сверхпроводящее щелочных состояние происходит при Ткр = 19 К. Это 12 металлов: рекордное значение для молекулярных К3С60;

сверхпроводников. Вскоре установили, что RbCs2С60 сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х3С60, либо XY2С60 (X,Y – атомы щелочных металлов).

Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs2С60 - его Ткр = 33 К [9].

Другим интересным свойством легированных фуллеренов является ферромагнетизм, открытый также в 1991 году. При этом был получен мягкий органический ферромагнетик 13 С60 ТДАЭ С60 ТДАЭ (тетрадиметиламиноэтилен, с точкой Кюри Tc =16 K). А в 1992 году был получен ферромагнетик с Tc = 30 K на основе фуллерена, легированного иодом и бромом [9].

1 2 3 Углеродные нанотрубки (тубулены) – это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров [3], состоящие из одной или Структура н/т:

нескольких свёрнутых в трубку гексагональных d/L = графитовых плоскостей и заканчивающиеся (0,4нм - 21 обычно полусферической головкой, которая нм)/ может рассматриваться как половина молекулы (1 мкм - 18, фуллерена. Поперечная структура у см) многослойных нанотрубок имеет две разновидности: русская матрёшка, представляющая коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки и скатанный рулон или свиток [4].

Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых К2 Нанотрубки расположены атомы углерода. Результат такой Хиральность 22 операции зависит от угла ориентации н/т:

графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики [4].

Интеркаляция (т.е. внедрение во внутреннюю цилиндрическую полость) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник. Расстояние между графитовыми слоями в многослойных системах (0.34 нм) оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде Интеркаляция 23 (например, молекулы Н2) могли располагаться в н/т:

межстенном пространстве. Данное пространство Gd@C60 @SWNT (в совокупности с внутренними каналами и даже внешней поверхностью) образует уникальную ёмкость для хранения газообразных, жидких и даже твёрдых веществ. Структура записывается при этом как Gd@C60@SWNT, что означает "Gd внутри C60 внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)" [2].

1 2 3 Прочность на разрыв н/т, в = 63 ГПа, тогда как для высокоуглеродистой стали она составляет 1 2 ГПа. Джнймс Иверсон и Бред Эдвардс получили в = 138 ГПа за счет поперечной химической сшивки н/т. Высокая прочность Прочность н/т:

определяется тем, что н/т имеют бездефектную в(н/т)/ структуру: в них нет дислокаций или границ в(сталь) = 60 зерен, как в обычных материалах. Поэтому нагрузка здесь распределяется равномерно по всем химическим связям, которые при разрушении должны быть разорваны практически одновременно [12, с. 113].

Молуль Юнга (Е), характеризующий жесткость н/т: Е = 1,28 – 1,8 ТПа, тогда как для стали: Е = К3 Механические свойства нонотрубок 0,21 ТПа [12, с. 114]. То есть н/т не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, они Упругость н/т:

не «ломаются», а просто перестраиваются [13, 32 Молуль Юнга с. 38]. Кроме того, однослойные нанотрубки Е(н/т)/Е(сталь)= способны упруго удлиняться на 16%. Такое свойство называется сверхупругостью. Из сверхупругой нанотрубки можно сделать зонд для электрических измерений: при превышении некоторого усилия он будет изгибаться упруго, обеспечивая тем самым хороший контакт с поверхностью [5].

Плотность н/т лежит в интервале = 1,3 – 1, г/см3. Они могут быть ажурные однослойные и многослойные. Для сравнения приведем плотность стали = 7,8 г/см [12, с. 114].

Основной трудностью при исследовании свойств нанотрубных образований является то, что в настоящее время их не удается получить в Плотность н/т:

33 макроскопических количествах так, чтобы (сталь)/ (н/т)= аксиальные оси труб были сонаправлены.

Поэтому н/т и разветвленными, и замкнутыми в кольцо. Фактически нанотрубка – это графитовая сетка толщиной в один или несколько атомов, свернутая в длинный рукав [1].

1 2 3 Композитные материалы состоят из армирующих элементов (формирующих так называемую матрицу) и наполнителя.

Установленно, что добавление фуллеренов С60 в полимерную матрицу существенно влияет на свойства композита. Результаты испытаний Композитные свидетельствуют о перспективности применения материал: полученных композитов в качестве Препрег 41 теплостойких антифрикционных и конструкционных материалов нового «НеоТекПродакт»

поколения. Открыты методы переработки г. Санкт-Петербург препрега в непрерывное гофрированное полотно и в полотно ячеистого заполнителя для изготовления легких, прочных, звуко- и теплопоглощающих панелей, которые могут К4 Применение С60 и нонотрубок найти применение в строительстве, транспорте, авиации, судостроении [7].

В апреле 2010 г. НПО «Сатурн» г. Рыбинск Ярославской обл. открылся первый завод РОСНАНО, который будет выпускать сверхпрочный режущий инструмент с нанопокрытием. Проект направлен на усовершенствование металлорежущего Покрытие реж.

инструмента, используемого при заточке инструмента:

высокопрочных сталей, титана.

42 НПО «Сатурн»

Наноструктурированное покрытие резко г. Рыбинск повышает твердость инструмента, его способность работать с высокими температурами. В результате получают существенный рост качества металлообработки сверления, фрезерования. Срок службы инструмента с нанопокрытием в 2-2,5 раза выше. [10].

Таунит – это многослойные углеродистые нанотрубки с наружным диаметром 15 – 40 нм., длиной более 2 мкм. и чистотой более 98%. В гальванических покрытиях на основе цинка, Таунит 43 хрома и никеля, модифицированных ООО углеродными нанотрубками, микротвердость «НаноТехЦентр»

возрастает до трех раз. Ведутся работы по созданию беспористых покрытий с повышенной коррозионной стойкостью. [1].

Далее одновременно, используя данные таблицы 4, ключевые слова и фразы, рассматриваемую систему «Углеродный нанобум» образно развернём центробежным («солярным») образом при помощи когнитивной карты №4 (См.

рис. 4). При этом первая координата представляет особенности физических свойств легированного фуллерена С60 (или кластер узлов – химических символов и свойств материалов, объединённых в группу), вторая и третья координата раскрывает самые важные физические и механические свойства углеродных нанотрубок, а четвертая отмечает конкретные производства композитных наноматериалов на основе углеродных каркасных структур.

Таким образом, когнитивная карта становится многомерной. Затем в межкоординатные секторы размещаем c помощью мультикодового представления информации виды тех наноматериалов, которые наиболее явно характеризуют углеродный нанобум.

В первую четверть межосевого пространства когнитивной карты №4 (См.

рис. 4) мы помещаем однослойную углеродную нанотрубку, представляющую протяжённую структуру, состоящую из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, полученную в 1991 году японским исследователем Иджимой. Рассматривая однослойную углеродную нанотрубку как итог сворачивания плоской гексагональной сетки графита под разными углами относительно продольной оси, И.В. Золотухин [4] соотносит геометрические и электрические свойства нанотрубки, прежде всего отмечая характер её проводимости. Типичным примером использования этой зависимости является создание нанотранзистора, т.е. структур типа металл – полупроводник или стык двух разных полупроводников. В стадии активной разработки находится другая интересная идея использовать одностенные углеродистые нанотрубки в качестве миниатюрных датчиков для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью, так как при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление изменяется. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических целях. Наконец, из однослойных нанотрубок можно сделать уникальные провода для микроприборов.

Уникальность их заключается в том, что электропроводимость их «баллистическая», т.е. электроны движутся от одного конца к другому, не встречая препятствий (как артиллерийский снаряд при стрельбе). Такой перенос заряда происходит без выделения тепла. Классический проводник при таких условиях мгновенно испарился бы [10]. Приведенные примеры свидетельствуют о перспективности применения однослойных нанотрубок в качестве основных материалов наноэлектроники.

Во вторую четверть межосевого пространства когнитивной карты № (См. рис. 4) мы помещаем многослойные нанотрубки, отличающиеся от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций, например «русская матрешка» и «свиток». Обратим внимание на то, что нанотрубки имеют аномально высокую удельную поверхность, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое.

Ког нит ив ная кар та № 4 “Углер одный нанобум” Н а но тр у бк и К Интеркаляция Gd@C60SWNT Х ир ал ь но сть Ст руктура одно слойн ой нанотрубки Виды многослойных нанотрубок 0, 4 д о 10 0 нм / d/ L 1мкм д о 1 8,5 см.

Ф ер ро магнетик Е (н /т) /Е (с та ль ) 60 Ш -п од ш и пн ик К 3 С60 Угле ро д н ы й К1 К на н о б у м в( н /т )/в (с та ль ) ( ста ль )/ ( н/т ) С вер хп р о вод ник С 60ТДАЭ С60 F Мех. св-ва н/т “НеоТекПродакт” Преп рег г. С ан кт-Пер ерб ур г Легированный феллерен НПО “Сатурн” Покрытие г. Ры б и нск Я р осл. о бл.

“НаноТехЦент р” Таунит г. Там б ов Нановолокно Структура графена К4 П р о и з во д ст в о Вывод: Последовательное открытие и исследование фуллерена (1985), углеродной нанотрубки (1991),.

графена (2004) представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес, обусловленный их необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств.

Рис.4 Когнитивная карта № Кроме того, расстояние между графитовыми слоями в многослойных системах (0.34 нм) оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде (например, молекулы Н2) могли располагаться в межстенном пространстве. Данное пространство образует уникальную ёмкость для хранения газообразных, жидких и даже твёрдых веществ. Таким образом, с одной стороны, трубки рассматриваются как ёмкость, в которой можно хранить вещества, не пользуясь сосудами с толстыми стенками или оболочками для хранения агрессивных сред. С другой стороны, внедрённые элементы модифицируют свойства самих трубок, позволяя создавать разнообразные гетероструктуры на их основе [15].

В третью четверть межосевого пространства когнитивной карты №4 (См.

рис. 4) мы помещаем нановолокно на основе нанотрубок. Остановимся более подробно на механических свойствах этого материала. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются! Поэтому поражает разнообразие применений, которые уже придуманы исследователями для наноматериалов. Они могут успешно использоваться в качестве модификаторов конструкционных материалов для авиации и космоса, для автостроения. Ярким примером здесь является применение их в ветряных двигателях. Колоссальная прочность нанотрубок обеспечивает лопастям ветряного двигателя более высокую жесткость, которая также позволяет изготовлять более длинные лопасти. Наряду с этим легкость нанотрубок, а тем самым и всего гибридного материала, в который они «вмонтированы», позволяет преобразовывать ветер в электроэнергию с большей эффективностью. Отдельное направление использования нанотрубок – военная техника. Здесь разработаны не только легкие бронежилеты для солдат, но и броня для тяжелых машин из композитных материалов. Установлено, что нанокомпозиты для тормозных колодок скоростных транспортных средств наземного и авиационного транспорта обладают повышенной теплоотдачей и износоустойчивостью. Таким образом, все возможные применения нанотрубок можно перечислять на нескольких страницах, но на практике их использованию мешают две проблемы – малая длина и высокая стоимость. Причем если длина нанотрубок не всегда критична, то вот стоимость – от $7 за грамм – слишком высока в подавляющем большинстве случаев.

В четвертую четверть межосевого пространства когнитивной карты № (См. рис. 4) мы помещаем графен, представляющий «развернутую» нанотрубку или пленку толщиной в один атом углерода. Впервые графен получен в году группой российских физиков во главе с Константином Новосёловым. По сообщению этих исследователей [11]: «Мы собираемся создать наноэлектронные устройства, которые не имеют ничего общего с современной микроэлектронной базой. Наша основная цель – создание наноэлектронных устройств, работающих на эффекте дифракции электронов, а не на обычном эффекте диффузии, использующемся повсеместно. Если нам удастся это сделать, то в нашем распоряжении будут быстродействующие устройства с низким энергопотреблением». Кроме этого серьезным преимуществом графена перед нанотрубками является простота производства интегральных схем на графеновой основе. Для этого не потребуется сложного оборудования, а устройства на новой основе можно будет изготавливать в больших количествах с помощью уже хорошо известной нанолитографии. Так, если интегральная микросхема, составлена целиком только из одного графена, то не будет иметь мест соединений с проводниками, а это приведет к снижению тепловых потерь и энергопотребления. Однако, по мнению вышеупомянутых ученых, работа на «графеновом поле» только начинается. Вместе с коллегами они успешно создают и исследуют новые структуры, но до массового применения графена еще далеко.

В заключение можно сказать, что, многомерное представление системы «Углеродный нанобум» в форме когнитивной карты с мультикодовым представлением информации, поддерживаемая благодаря визуальному (графическому) каркасу когнитивной карты №4, позволяет сориентироваться студенту в общей композиции свертывания, существующего достоверного учебно-научного материала и приводят к некоторым дополнительным замечаниям.

Во-первых, последовательное открытие и исследование новейших аллотропных модификаций углерода: фуллерена (1985), углеродной нанотрубки (1991), графена (2004) представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес, обусловленный необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств этих наноматериалов.

Во-вторых, в настоящее время рынок наноструктурных материалов – это динамично развивающийся сегмент экономики. В случае успешного развития «углеродного нанобума» не только в науке, но и на практике мы станем свидетелями эффективного влияния фундаментальных исследований на научно технический прогресс.

Наконец, подчеркнём, в какое интересное время мы живём – мир изменяется до неузнаваемости чуть ли не ежедневно, и хороших, оптимистичных новостей всё же подавляющее большинство.

Литература 1. Гурьянов, А. Трубки завтрашнего мира [Текст] / А. Гурьянов // Наука и жизнь. – 2010. – №2. – С. 16-20.

2. Дьячков, П.Н. Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века [Текст] / П.Н. Дьячков // Природа. – 2000. – №11. – С.23–30.

3. Елецкий, А.В. Перспективы применения углеродных нанотрубок [Текст] / А.В. Елецкий // Российские нанотехнологии. - 2007. - Т.2, N 5-6. - С.6-17.

4. Золотухин, И.В. Замечательные качества углеродных нанотрубок [Текст] / И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин // Природа. – 2004. – №5. – С. 23-30.

5. Золотухин, И.В. Новые направления физического материаловедения [Текст] / И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, О.В. Стогней: учебник. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2000. – 340 с.

6. Калюжный, С.В. Нанотехнологии: от идеи до конечного продукта [Текст] / С.В. Калюжный // Наука и жизнь. – 2009. – №4. – С. 18-23.

7. Композитные материалы с полимерной матрицей и фуллеренсодержащими модифи каторами [Текст] / Режим доступа:

http://www. NeoTechProduct.ru 8. Ковальчук, М.В. Нанотехнологии - фундамент новой наукоемкой экономики 21 века [Текст] / М.В. Ковальчук // Рос. нанотехнологии. 2007. - Т.2, N 1-2. – С. 6-11.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.