დამტკიცება

პრორექტორი აკადემიურ საკითხებში

V.V. ლიუბიმცევი

"_____" __________________ 2011 წ

ნანომასალებისა და ნანოსისტემების მასალების მეცნიერება

კოდი, მომზადების მიმართულება

152200 ნანოინჟინერია

ტრენინგის პროფილი

ნანომასალები

ციკლი, კოდი

მათემატიკური და საბუნებისმეტყველო მეცნიერებები (B.3.1-3a)

სემესტრი

კურსდამთავრებულის კვალიფიკაცია (ხარისხი).

ბაკალავრიატი

სწავლის ფორმა

სრული განაკვეთით

ფაკულტეტი

მოდის ინდუსტრია

სასწავლო სამუშაოს ტიპი

სულ საათები / კრედიტები

სემესტრის ნომერი

საკლასო აქტივობები (სულ)

მათ შორის:

პრაქტიკული მეცადინეობები (სემინარები)

დამოუკიდებელი სამუშაო (სულ)

მომზადება პრაქტიკული გაკვეთილებისთვის (სემინარებისთვის)

დამოუკიდებელ შესასწავლად წარდგენილი თეორიული საკითხების შესწავლა

მომზადება ტესტისთვის

შუალედური სერტიფიკაციის ტიპი (ტესტი, გამოცდა)

შრომის მთლიანი ინტენსივობა: საათები

საკრედიტო ერთეულები

ა.კ. იზგოროდინი

მასალები ყოველთვის მნიშვნელოვან როლს ასრულებდა ცივილიზაციის განვითარებაში. მეცნიერები ამბობენ, რომ კაცობრიობის ისტორია შეიძლება შეფასდეს, როგორც გამოყენებული მასალების ცვლილება. ცივილიზაციის ისტორიის ეპოქები მასალების მიხედვით დასახელდა: ქვის, ბრინჯაოსა და რკინის ხანა. შესაძლოა დღევანდელ ეპოქას ეწოდოს კომპოზიციური მასალების საუკუნე. განვითარებულ ქვეყნებში მასალების მეცნიერება ინფორმაციული ტექნოლოგიებისა და ბიოტექნოლოგიების პარალელურად ცოდნის სამ საუკეთესო სფეროს შორისაა.

ტექნოლოგიის თითოეული ფილიალი, როგორც ის ვითარდება, უფრო და უფრო მრავალფეროვან და მაღალ მოთხოვნებს აყენებს მასალებზე. მაგალითად, თანამგზავრებისა და კოსმოსური ხომალდების სტრუქტურულ მასალებს, გარდა ტემპერატურისა (მაღალი და ულტრა დაბალი ტემპერატურა) და თერმული ციკლის წინააღმდეგობისა, უნდა გააჩნდეთ შებოჭილობა აბსოლუტურ ვაკუუმში, ვიბრაციისადმი წინააღმდეგობა, მაღალი აჩქარება (აჩქარებაზე ათობით ათასი ჯერ მეტი). გრავიტაცია), მეტეორიტების დაბომბვა, პლაზმის ხანგრძლივი ზემოქმედება, რადიაცია, უწონაობა და ა.შ. მხოლოდ კომპოზიციურ მასალებს, რომლებიც შედგება რამდენიმე კომპონენტისგან მკვეთრად განსხვავებული თვისებებით, შეუძლიათ დააკმაყოფილონ ასეთი წინააღმდეგობრივი მოთხოვნები.

ფენათაშორისი კომპოზიტი გაზრდილი სითბოს წინააღმდეგობით

სუპერგამტარი ბოჭკოვანი კომპოზიტი

აცვიათ მდგრადი დისპერსიით გამაგრებული კომპოზიციური მასალა

ნანოტექნოლოგიების განვითარება (თანამედროვე მასალების მეცნიერების ერთ-ერთი განყოფილება), ექსპერტების უმეტესობის პროგნოზით, განსაზღვრავს 21-ე საუკუნის სახეს. ამას ადასტურებს ბოლო 15 წლის განმავლობაში ქიმიისა და ფიზიკის ოთხი ნობელის პრემიის მინიჭება: ნახშირბადის ახალი ფორმების - ფულერენების (1996) და გრაფენის (2010) აღმოჩენისთვის, ნახევარგამტარული ტექნოლოგიებისა და ინტეგრირებული სქემების სფეროში განვითარებისთვის. (2000), ოპტიკური ნახევარგამტარული სენსორები (2009). რუსეთი მსოფლიოში მეორე ადგილზეა ნანოტექნოლოგიაში ინვესტიციების მხრივ, მეორე ადგილზეა მხოლოდ შეერთებული შტატების შემდეგ (2011 წელს ინვესტიციებმა დაახლოებით 2 მილიარდი დოლარი შეადგინა). ამჟამად მეცნიერება ახალ მასალებში ნამდვილ ბუმს განიცდის. ამ მხრივ, მასალების მეცნიერები მოთხოვნადია მრავალ ინდუსტრიაში: ბირთვულ ენერგიაში, მედიცინაში, ნავთობის წარმოებაში, ავტომობილებში, ავიაციაში, კოსმოსში, თავდაცვაში, ენერგეტიკულ ინდუსტრიებში, ელიტარულ სპორტულ ინდუსტრიაში, კვლევით ინსტიტუტებში და ინოვაციურ კომპანიებში, რომლებიც აწარმოებენ სამეცნიერო ინტენსიურ პროდუქტებს.

Sukhoi Superjet 100-ის ნაწილები და შეკრებები კომპოზიტური მასალებისგან

გრაფენზე დაფუძნებული მოქნილი დისპლეები

კომპოზიტური მასალებისგან დამზადებული თანამედროვე სპორტული ინვენტარი

მასალათმცოდნეები ეწევიან ორგანული და არაორგანული მასალების შემუშავებას, კვლევასა და მოდიფიკაციას სხვადასხვა მიზნებისათვის; მათი წარმოების, სტრუქტურის ფორმირების, ტრანსფორმაციის პროცესები წარმოების, გადამუშავებისა და ექსპლუატაციის ეტაპებზე; მასალების საიმედოობისა და ეფექტურობის საკითხები; ნაწილებისა და შეკრებების ქცევის კომპიუტერული სიმულაცია სხვადასხვა ტიპის დატვირთვისას; უზრუნველყოს სხვადასხვა წარმოების განყოფილების ტექნიკური მხარდაჭერა დანაყოფებისა და აღჭურვილობის კომპონენტების წარმოებისთვის მასალებთან დაკავშირებულ საკითხებში, მონაწილეობა მიიღოს კომპანიის პოტენციური მომწოდებლების შერჩევასა და შეფასებაში.

VolgGTU-ს „მატერიალური მეცნიერების“ მიმართულების კურსდამთავრებულები მოთხოვნადი არიან მსხვილ კომპანიებსა და საწარმოებში: OJSC SUAL ფილიალი VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureaut, OJSC SUAL, OJSC Central Design Bureaut. VMK Krasny Oktyabr, სს ვოლგა მილების ქარხანა, სს TK Neftekhimgaz, სს ექსპერტიზა, შპს Volgogradnefteproekt, სს Kaustik, LLC Konstanta-2 და მრავალი სხვა.

კურსდამთავრებულთა ბაკალავრიატისა და მაგისტრატურის გადამზადება მიმდინარეობს მიმართულების „მატერიალოლოგია და მასალების ტექნოლოგია“ ფარგლებში ქ.

ნახშირბადის ნანომილის მოდელი

ერთი წლის დასასრული და მეორე წლის დასაწყისი განსაკუთრებული დროა, როდესაც კაცობრიობას ეწვევა წარსულის ანალიზისა და წინსვლის ასახვის სურვილი. ახალი წლის დასაწყისში კი გვინდა მიმოვიხილოთ ნანოტექნოლოგიის 10 ყველაზე მნიშვნელოვანი განვითარება მათი განვითარების დასაწყისიდან, რომლებიც დაკავშირებულია მასალების მეცნიერებასთან.

ასე იწყებს ჯ.ვუდი, მისი ერთ-ერთი რედაქტორი, თავის პუბლიკაციას Materials Today-ის პოსტსაახალწლო ნომერში, რომელიც აინტერესებს ბოლო 50 წლის რომელმა მოვლენებმა განაპირობა დღევანდელი მაღალი დინამიკა მასალების მეცნიერების განვითარებაში. ვუდი განსაზღვრავს 10 მოვლენას (არ შედის აქ მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარობის აღმოჩენა, ცხადია, როგორც მოვლენა უფრო მნიშვნელოვანი ფიზიკოსებისთვის, ვიდრე მასალების მეცნიერებისთვის).

პირველ ადგილზე- "International Technology Roadmap for Semiconductors" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), არა სამეცნიერო აღმოჩენა, არამედ, ფაქტობრივად, დოკუმენტი (ანალიტიკური მიმოხილვა), რომელიც შედგენილია ექსპერტთა დიდი საერთაშორისო ჯგუფის მიერ (1994 წელს 400-ზე მეტი ტექნოლოგი). რუკის შედგენაში მონაწილეობდნენ, ხოლო 2007 წელს 1200-ზე მეტი სპეციალისტი ინდუსტრიიდან, ეროვნული ლაბორატორიებიდან და აკადემიური დაწესებულებებიდან). მეცნიერების, ტექნოლოგიებისა და ეკონომიკის გაერთიანებით, რუკა ადგენს მიზნებს, რომელთა მიღწევაც შესაძლებელია მოცემულ პერიოდში და მათი მიღწევის საუკეთესო გზებს. საბოლოო ანგარიში (2007 წელს ის შეიცავს 18 თავს და 1000 გვერდს ტექსტს) არის კონსენსუსის შედეგი ექსპერტთა უმრავლესობის შორის, რომელიც მიღწეული იქნა ხანგრძლივი დისკუსიების შემდეგ. ნანოკვლევის რუსი ორგანიზატორებს მსგავსი პრობლემა შეექმნათ ნანოგანვითარების მიზნის არჩევისას. ისინი ცდილობენ უმოკლეს დროში „ინვენტარიზაცია გაუკეთონ“ იმას, რაც უკვე „აწესებს“ რუსეთში და ნაჩქარევად შექმნილ საექსპერტო საბჭოებს მოუწოდებენ, იპოვონ განვითარების არხის ოპტიმალური მიმართულება. ITRS ანგარიშის შინაარსისა და ამ კვლევების ორგანიზების გამოცდილების გაცნობა აშკარად სასარგებლო იქნებოდა.

ბრინჯი. 1. ნახევარგამტარული კვლევა ITRS-ზე დაფუძნებული

Მეორე ადგილი- სკანირების გვირაბის მიკროსკოპია - გასაკვირი არ არის, რადგან სწორედ ეს გამოგონება (1981 წ.) იყო იმპულსი ნანოკვლევისა და ნანოტექნოლოგიებისთვის.

Მესამე ადგილი- გიგანტური მაგნიტორეზისტენტობის ეფექტი მაგნიტური და არამაგნიტური მასალების მრავალშრიანი სტრუქტურებში (1988), რომლის საფუძველზეც შეიქმნა მყარი დისკების წაკითხვის თავები, რომლებიც ახლა აღჭურვილია ყველა პერსონალური კომპიუტერით.

მეოთხე ადგილი- ნახევარგამტარული ლაზერები და LED-ები GaA-ებზე (პირველი განვითარება თარიღდება 1962 წლით), სატელეკომუნიკაციო სისტემების ძირითადი კომპონენტები, CD და DVD ფლეერები, ლაზერული პრინტერები.

მეხუთე ადგილი- ისევ ეხება არა მეცნიერულ აღმოჩენას, არამედ 2000 წელს კარგად ორგანიზებულ ღონისძიებას მასიური მოწინავე სამეცნიერო კვლევის ხელშეწყობის მიზნით - ე.წ. აშშ-ის ეროვნული ნანოტექნოლოგიური ინიციატივა. მეცნიერება მთელს მსოფლიოში ახლა ბევრის ვალია ამ ინიციატივის ენთუზიასტების - მაშინდელი პრეზიდენტის ბ. კლინტონისა და აშშ-ს ეროვნული სამეცნიერო ფონდის დოქტორი მაიკლ კ. 2007 წელს ნანოკვლევის გლობალურმა დაფინანსებამ 12 მილიარდ დოლარს გადააჭარბა, შესაბამისი სამეცნიერო პროგრამები მსოფლიოს 60 (!) ქვეყანაში დაიწყო. სხვათა შორის, ცოტა გაუგებარია ზოგიერთი რუსი მეცნიერის პოზიცია, რომლებიც უკმაყოფილოა „ნანოქარბუქით“ [მაგალითად, 2], რადგან სწორედ ამ ქარბუქმა აიძულა რუსეთის მთავრობა საბოლოოდ მიემართა მეცნიერებისთვის.

ბრინჯი. 2. ნანობოჭკებით გამაგრებული ველოსიპედი

მეექვსე ადგილი- ნახშირბადის ბოჭკოებით გამაგრებული პლასტმასი. კომპოზიტურმა მასალებმა - მსუბუქმა და ძლიერმა - გარდაქმნა მრავალი ინდუსტრია: თვითმფრინავი, კოსმოსური ტექნოლოგია, ტრანსპორტი, შეფუთვა, სპორტული აღჭურვილობა.

მეშვიდე ადგილი- მასალები ლითიუმის იონური ბატარეებისთვის. ძნელი წარმოსადგენია, რომ ბოლო დრომდე ვაკეთებდით ლეპტოპებისა და მობილური ტელეფონების გარეშე. ეს „მობილური რევოლუცია“ შეუძლებელი იქნებოდა მრავალჯერადი დატენვის ბატარეებიდან წყლის ელექტროლიტების გამოყენებით უფრო ენერგოინტენსიურ ლითიუმის იონურ ბატარეებზე გადასვლის გარეშე (კათოდი - LiCoO__2__ ან LiFeO__4__, ანოდი - ნახშირბადი).

მერვე ადგილი– ნახშირბადის ნანომილები (1991), მათ აღმოჩენას წინ უძღოდა C__60__ ფულერენების არანაკლებ სენსაციური აღმოჩენა 1985 წელს. დღეს ნახშირბადის ნანოსტრუქტურების საოცარი, უნიკალური და პერსპექტიული თვისებები ყველაზე ცხელი პუბლიკაციების ცენტრშია. თუმცა, ჯერ კიდევ ბევრი კითხვაა მათი მასობრივი სინთეზის მეთოდებთან დაკავშირებით ერთიანი თვისებებით, გამწმენდის მეთოდებთან და ნანო მოწყობილობებში მათი ჩართვის ტექნოლოგიებთან დაკავშირებით.

ბრინჯი. 3. მეტამასალა, რომელიც შთანთქავს ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას

მეცხრე ადგილი- მასალები რბილი ნაბეჭდი ლითოგრაფიისთვის. დღევანდელი მიკროელექტრონული მოწყობილობებისა და სქემების, შესანახი საშუალებების და სხვა პროდუქტების წარმოებაში ცენტრალური ადგილი უჭირავს ლითოგრაფიულ პროცესებს და უახლოეს მომავალში ალტერნატივა არ არსებობს. რბილი დაბეჭდილი ლითოგრაფია იყენებს ელასტიურ პოლიდიმეთილოქსიზილანის შტამპს, რომელიც შეიძლება მრავალჯერ გამოიყენოთ. მეთოდის გამოყენება შესაძლებელია ბრტყელ, მოსახვევ და მოქნილ სუბსტრატებზე, რომელთა გარჩევადობა 30 ნმ-მდეა დღეს მიღწეული.

გამოსაცემად რეკომენდებულია მეტალურგიისა და მასალების მეცნიერების ინსტიტუტი (IMET) im. ᲐᲐ. ბაიკოვის RAS (ლაბორატორია ფიზიკურ ქიმიასა და საფარის ტექნოლოგია - ლაბორატორიის ხელმძღვანელი V.I. კალიტა, ტექნიკურ მეცნიერებათა დოქტორი, პროფესორი) და სანქტ-პეტერბურგის საინჟინრო და ეკონომიკის უნივერსიტეტი (საინჟინრო და ტექნიკური მეცნიერებათა დეპარტამენტი - დეპარტამენტის უფროსი ვ.კ. ფედიუკინი, ტექნიკური მეცნიერებათა დოქტორი. მეცნიერებები, პროფესორი, უმაღლესი განათლების საერთაშორისო აკადემიის წევრ-კორესპონდენტი), როგორც სასწავლო დამხმარე საშუალება უნივერსიტეტის სტუდენტებისთვის, რომლებიც სწავლობენ ტრენინგის ტექნოლოგიურ მიმართულებებში, კურსის „თანამედროვე ტექნოლოგიები და მასალები ინდუსტრიებისთვის“.

მიღებული აქვს UMO გრაფიკი PPO No 04-01-ისთვის (დამტკიცებულია პროფესიული პედაგოგიური განათლების საგანმანათლებლო და მეთოდური ასოციაციის მიერ, როგორც სასწავლო დახმარება უმაღლესი საგანმანათლებლო დაწესებულებების სტუდენტებისთვის).

სამეცნიერო და ტექნოლოგიური პროგრესი მაღალი ტექნოლოგიების სფეროში - მასალების მეცნიერებაში, ელექტრონიკაში, მიკრომექანიკაში, მედიცინაში და ადამიანის საქმიანობის სხვა სფეროებში, ასოცირდება ფუნდამენტური და გამოყენებითი კვლევის შედეგებთან, სტრუქტურების, მასალების და მოწყობილობების, ელემენტების დიზაინსა და პრაქტიკულ გამოყენებასთან. რომელთაგან ზომები აქვთ ნანომეტრულ დიაპაზონში (1 ნმ = 10-9მ) და მათი წარმოების ტექნოლოგიების (ნანოტექნოლოგია) და დიაგნოსტიკური მეთოდების შემუშავება. მასალების მეცნიერებაში ნანოტექნოლოგიის ობიექტებია დისპერსიული მასალები, ფილმები და ნანოკრისტალური მასალები.

სახელმძღვანელოს მიზანია სტუდენტებსა და სპეციალისტებს გააცნოს მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების განვითარების ახალი ეფექტური მიმართულება ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიების სფეროში, კერძოდ, ნანოკრისტალური სტრუქტურული მასალების სინთეზი უნიკალური თვისებებით და მათი გამოყენების მაგალითები ინდუსტრიაში. .

სახელმძღვანელოში განხილულია ნანომეცნიერების და ნანომრეწველობის თეორიული და ტექნოლოგიური საფუძვლები, პრობლემები და პერსპექტივები. შემოთავაზებულია ნანომეცნიერების ძირითადი ცნებების განმარტებები. ნანომასალებისა და ნანოსტრუქტურების შესახებ მონაცემები სისტემატიზებულია და მოცემულია მათი კლასიფიკაცია. აღწერილია ნანოსტრუქტურების კვლევისა და დიზაინის მეთოდები. მოცემულია ნანოსტრუქტურული მასალების სინთეზის მეთოდების ანალიზი და მათი გამოყენების არაერთი მაგალითი ტრადიციულ და ახალ ტექნოლოგიებში სხვადასხვა ინდუსტრიაში. განხილულია სტრუქტურული და ფუნქციური ნანომასალების ფიზიკური, მექანიკური და ტექნოლოგიური თვისებების ცვლილების თავისებურებები.

სახელმძღვანელო განკუთვნილია უმაღლესი საგანმანათლებლო დაწესებულებების სტუდენტებისთვის, რომლებიც სწავლობენ სხვადასხვა სპეციალობებს, სწავლობენ მასალების შემსწავლელ კურსებს და სტრუქტურული მასალების ტექნოლოგიას. ის შეიძლება სასარგებლო იყოს მაგისტრანტებისთვის, სპეციალისტებისთვის და მკვლევრებისთვის, რომლებიც მუშაობენ ნანომასალებსა და ნანოტექნოლოგიებთან.

გაკვეთილის სტრუქტურა:

შესავალი.

თავი 1. ნანომასალებისა და ნანოტექნოლოგიების მეცნიერების განვითარების საფუძვლები და ასპექტები.

თავი 2. ნანომასალები და ნანოსტრუქტურები.

თავი 3. ნანოსტრუქტურების შესწავლისა და დიზაინის მეთოდები.

თავი 4. ნანოსტრუქტურული მასალების მიღებისა და ნანოპროდუქტების წარმოების ტექნოლოგიები.

თავი 5. ნანომასალების მექანიკური თვისებები.

დასკვნა.

ბიბლიოგრაფიული სია.

ტერმინების სია.

დანართი: ნანოტექნოლოგიებისა და ნანომასალების სპეციალიზებული გამოფენა.

ბიბლიოგრაფიული ბმული