APROVAR

Vice-Reitor para Assuntos Acadêmicos

V.V. Lyubimtsev

"_____" ___________________ 2011

Ciência de materiais de nanomateriais e nanossistemas

Código, direção de preparação

152200 Nanoengenharia

Perfil de treinamento

Nanomateriais

Ciclo, código

Ciências matemáticas e naturais (B.3.1-3a)

Semestre(s)

Qualificação (grau) do graduado

solteiro

forma de estudo

tempo total

Faculdade

indústria da moda

Tipo de trabalho de estudo

Total de horas / créditos

Número do semestre

Atividades em sala de aula (total)

Incluindo:

Aulas práticas (seminários)

Trabalho independente (total)

Preparação para aulas práticas (seminários)

O estudo de questões teóricas submetidas para estudo independente

Preparação para o teste

Tipo de certificação intermediária (teste, exame)

Intensidade total de trabalho: horas

créditos

A.K. Izgorodin

Os materiais sempre desempenharam um papel importante no desenvolvimento da civilização. Os cientistas dizem que a história da humanidade pode ser descrita como uma mudança nos materiais utilizados. As eras da história da civilização foram nomeadas de acordo com os materiais: Idade da Pedra, Idade do Bronze e Idade do Ferro. Talvez a era atual seja chamada de século dos materiais compostos. Nos países desenvolvidos, a ciência dos materiais está classificada entre as três principais áreas do conhecimento, juntamente com a tecnologia da informação e a biotecnologia.

Cada ramo da tecnologia, à medida que se desenvolve, faz demandas cada vez mais diversas e altas de materiais. Por exemplo, materiais estruturais para satélites e naves espaciais, além de resistência à temperatura (temperaturas altas e ultrabaixas) e ciclagem térmica, devem possuir estanqueidade no vácuo absoluto, resistência à vibração, altas acelerações (dezenas de milhares de vezes maior que a aceleração gravidade), bombardeio de meteoritos, exposição prolongada a plasma, radiação, ausência de gravidade, etc. Somente materiais compósitos constituídos por vários componentes com propriedades nitidamente diferentes podem satisfazer esses requisitos conflitantes.

Composto intermetálico em camadas com maior resistência ao calor

Composto de fibra supercondutora

Material composto reforçado com dispersão resistente ao desgaste

O desenvolvimento das nanotecnologias (uma das seções da moderna ciência dos materiais), de acordo com as previsões da maioria dos especialistas, determinará a face do século XXI. Isso é confirmado pela concessão de quatro prêmios Nobel em química e física nos últimos 15 anos: pela descoberta de novas formas de carbono - fulerenos (1996) e grafeno (2010), por desenvolvimentos no campo da tecnologia de semicondutores e circuitos integrados (2000 ), sensores de semicondutores ópticos (2009). A Rússia está em segundo lugar no mundo em termos de investimento em nanotecnologia, perdendo apenas para os Estados Unidos (em 2011, os investimentos somaram cerca de US$ 2 bilhões). Atualmente, a ciência vive um verdadeiro boom de novos materiais. Nesse sentido, os cientistas de materiais são procurados em muitos setores: em energia nuclear, medicina, produção de petróleo, automotivo, aviação, espaço, defesa, indústrias de energia, indústria de esportes de elite, institutos de pesquisa e empresas inovadoras que produzem produtos intensivos em ciência.

Peças e conjuntos do Sukhoi Superjet 100 feitos de materiais compósitos

Displays flexíveis baseados em grafeno

Equipamentos esportivos modernos feitos de materiais compósitos

Os cientistas de materiais estão envolvidos no desenvolvimento, pesquisa e modificação de materiais orgânicos e inorgânicos para diversos fins; os processos de sua produção, formação de estrutura, transformação nas etapas de produção, processamento e operação; questões de confiabilidade e eficiência de materiais; simulação computacional do comportamento de peças e montagens sob vários tipos de carregamento; prestar apoio técnico aos vários departamentos de produção em questões relativas a materiais para o fabrico de unidades e componentes de equipamentos, participar na seleção e avaliação de potenciais fornecedores da empresa.

Os graduados da direção de “Ciência dos Materiais” do VolgGTU são procurados para trabalhar em grandes empresas e empreendimentos: filial OJSC SUAL da VgAZ-SUAL, LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka, OJSC VNIKTIneftekhimoborudovaniye, OJSC Volgogradneftemash, JSC Central Design Bureau Titan, OJSC Neftezavodmontazh ”, JSC VMK Krasny Oktyabr, JSC Volga Pipe Plant, JSC TK Neftekhimgaz, JSC Expertise, LLC Volgogradnefteproekt, JSC Kaustik, LLC Konstanta-2 e muitos outros.

O treinamento de bacharéis e mestres certificados é realizado no âmbito da direção "Ciência e Tecnologia de Materiais" da

Modelo de nanotubo de carbono

O fim de um ano e o início do próximo é um momento especial em que a humanidade é visitada pelo desejo de analisar o passado e refletir sobre o que está por vir. E no início do novo ano, queremos rever os 10 desenvolvimentos mais importantes da nanotecnologia desde o início de seu desenvolvimento, relacionados à ciência dos materiais.

É assim que J.Wood, um de seus editores, começa sua publicação na edição pós-Ano Novo da Materials Today, imaginando quais eventos dos últimos 50 anos determinaram a alta dinâmica atual no desenvolvimento da ciência dos materiais. Wood identifica 10 eventos (sem incluir a descoberta da supercondutividade de alta temperatura aqui, obviamente, como um evento mais significativo para os físicos do que para os cientistas de materiais).

Em primeiro lugar- "International Technology Roadmap for Semiconductors" (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS), não uma descoberta científica, mas, na verdade, um documento (revisão analítica) compilado por um grande grupo internacional de especialistas (em 1994, mais de 400 tecnólogos estiveram envolvidos na elaboração do Mapa, e em 2007 mais de 1200 especialistas da indústria, laboratórios nacionais e instituições académicas). Combinando ciência, tecnologia e economia, o Mapa estabelece metas que podem ser alcançadas em um determinado período de tempo e as melhores formas de alcançá-las. O relatório final (em 2007 contém 18 capítulos e 1000 páginas de texto) é o resultado de um consenso entre a maioria dos especialistas, alcançado após longas discussões. Os organizadores russos da nanopesquisa enfrentaram um problema semelhante ao escolher o objetivo do nanodesenvolvimento. Eles estão tentando em pouco tempo "inventar" o que já está "infligido" na Rússia e, apelando aos conselhos de especialistas criados às pressas, para encontrar a direção ideal do canal de desenvolvimento. A familiaridade com o conteúdo do relatório do ITRS e a experiência na organização desses estudos seriam obviamente úteis.

Arroz. 1. Pesquisa de semicondutores baseada em ITRS

Segundo lugar- microscopia de tunelamento de varredura - não é surpreendente, porque foi essa invenção (1981) que serviu de impulso para nanopesquisas e nanotecnologias.

Terceiro lugar- o efeito da magnetorresistência gigante em estruturas multicamadas de materiais magnéticos e não magnéticos (1988), com base no qual foram criadas cabeças de leitura para discos rígidos, que agora estão equipadas com todos os computadores pessoais.

Quarto lugar- lasers semicondutores e LEDs em GaAs (o primeiro desenvolvimento data de 1962), os principais componentes dos sistemas de telecomunicações, leitores de CD e DVD, impressoras a laser.

quinto lugar- novamente se refere não a uma descoberta científica, mas a um evento bem organizado em 2000 para promover pesquisas científicas avançadas massivas - o chamado. Iniciativa Nacional de Nanotecnologia dos EUA. A ciência em todo o mundo agora deve muito aos entusiastas desta iniciativa - o então presidente B. Clinton e o Dr. M. Roko (Mihail C. Roco) da US National Science Foundation. Em 2007, o financiamento global para nanopesquisa ultrapassou US$ 12 bilhões.Relevantes programas científicos foram lançados em 60 (!) países do mundo. A propósito, a posição de alguns cientistas russos insatisfeitos com a “nanoblizzard” [por exemplo, 2] é um pouco incompreensível, porque foi essa tempestade de neve que obrigou o governo russo a finalmente se voltar para a ciência.

Arroz. 2. Bicicleta reforçada com nanofibras

sexto lugar– plásticos reforçados com fibras de carbono. Materiais compostos - leves e fortes - transformaram muitas indústrias: aeronaves, tecnologia espacial, transporte, embalagens, equipamentos esportivos.

Sétimo lugar– materiais para baterias de íon de lítio. É difícil imaginar que até recentemente ficávamos sem laptops e telefones celulares. Essa "revolução móvel" não teria sido possível sem a transição de baterias recarregáveis ​​usando eletrólitos aquosos para baterias de íon de lítio com uso intensivo de energia (cátodo - LiCoO__2__ ou LiFeO__4__, ânodo - carbono).

oitavo lugar– nanotubos de carbono (1991), sua descoberta foi precedida pela não menos sensacional descoberta em 1985 de C__60__ fulerenos. Hoje, as propriedades surpreendentes, únicas e promissoras das nanoestruturas de carbono estão no centro das publicações mais quentes. No entanto, ainda existem muitas dúvidas sobre os métodos de sua síntese em massa com propriedades uniformes, métodos de purificação e tecnologias para sua inclusão em nanodispositivos.

Arroz. 3. Metamaterial que absorve radiação eletromagnética

nono lugar– materiais para litografia impressa em soft. Os processos litográficos ocupam um lugar central na produção dos atuais dispositivos e circuitos microeletrônicos, mídia de armazenamento e outros produtos, e não há alternativa no futuro próximo. A litografia impressa em soft usa um carimbo de polidimetiloxissilano resiliente que pode ser usado várias vezes. O método pode ser usado em substratos planos, curvos e flexíveis com uma resolução de até 30 nm alcançada hoje.

Recomendado para publicação pelo Instituto de Metalurgia e Ciência dos Materiais (IMET) im. A.A. Baikov Academy of Sciences (Laboratório de Química Física e Tecnologia de Revestimento - Chefe do Laboratório V.I. Kalita, Doutor em Ciências Técnicas, Professor) e Universidade de Engenharia e Economia de São Petersburgo (Departamento de Engenharia e Ciências Técnicas - Chefe do Departamento V.K. Fedyukin, Doutor de Ciências Técnicas, Professor, Membro Correspondente da Academia Internacional de Educação Superior) como auxiliar de ensino para estudantes universitários que estudam em áreas tecnológicas de formação no âmbito do curso "Tecnologias e materiais modernos para as indústrias."

Recebeu o selo UMO no PPO nº 04-01 (Aprovado pela Associação Educacional e Metodológica do Ensino Pedagógico Profissional como auxiliar pedagógico para alunos de instituições de ensino superior).

O progresso científico e tecnológico no campo das altas tecnologias - na ciência dos materiais, eletrônica, micromecânica, medicina e outras áreas da atividade humana está associado aos resultados da pesquisa fundamental e aplicada, projeto e uso prático de estruturas, materiais e dispositivos, os elementos dos quais têm dimensões na faixa do nanômetro (1 nm = 10-9m), e o desenvolvimento de tecnologias para sua fabricação (nanotecnologia) e métodos de diagnóstico. Os objetos da nanotecnologia na ciência dos materiais são materiais dispersos, filmes e materiais nanocristalinos.

O objetivo do manual é familiarizar estudantes e especialistas com uma nova direção efetiva no desenvolvimento da ciência e tecnologia no campo de nanomateriais e nanotecnologias, em particular, a síntese de materiais estruturais nanocristalinos com propriedades únicas e exemplos de seu uso na indústria .

O manual discute os fundamentos teóricos e tecnológicos, problemas e perspectivas da nanociência e da nanoindústria. São propostas definições dos conceitos básicos da nanociência. Os dados sobre nanomateriais e nanoestruturas são sistematizados e sua classificação é dada. Métodos para pesquisa e projeto de nanoestruturas são descritos. É feita uma análise de métodos para a síntese de materiais nanoestruturados e uma série de exemplos de sua aplicação em tecnologias tradicionais e novas em diversas indústrias. As características de mudanças nas propriedades físicas, mecânicas e tecnológicas de nanomateriais estruturais e funcionais são consideradas.

O livro didático foi desenvolvido para alunos de instituições de ensino superior que cursam diversas especialidades, estudando ciência dos materiais e tecnologia de materiais estruturais. Pode ser útil para estudantes de pós-graduação, especialistas e pesquisadores que lidam com nanomateriais e nanotecnologias.

A estrutura do tutorial:

Introdução.

Capítulo 1. Fundamentos e aspectos do desenvolvimento da ciência dos nanomateriais e nanotecnologias.

Capítulo 2. Nanomateriais e nanoestruturas.

Capítulo 3. Métodos de estudo e desenho de nanoestruturas.

Capítulo 4. Tecnologias para obtenção de materiais nanoestruturados e fabricação de nanoprodutos.

Capítulo 5. Propriedades mecânicas dos nanomateriais.

Conclusão.

Listagem bibliográfica.

Lista de termos.

Anexo: Feira Especializada de Nanotecnologias e Nanomateriais.

link bibliográfico