Transcript Файл в формате PPT (5,4 МB) - EEE - petroleum

Лекционный курс
«Физические основы
нанотехнологий и их
применение в нефтегазовой
отрасли»
Часть 1 ДВА ВИДА НАНОТЕХНОЛОГИЙ.
НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.
Тема ТЫСЯЧЕЛЕТНЯЯ ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СОВРЕМЕННОЙ ИСТОРИИ.
1
Что такое НАНО ?
Греч. «  » - «гном, карлик». 1 нм = 10-9 м
2
Размерные эффекты
( частицы золота )
3
Нанообъектами принято называть объекты,
состоящие из атомов, ионов или молекул
и имеющие размер менее 100 нм
хотя бы по одному из направлений.
1) объемные трехмерные (3D) структуры –
наночастицы, нанокластеры;
2) плоские двумерные (2D) объекты –
нанопленки;
3) линейные одномерные (1D) структуры –
нанонити,
4) нульмерные (0D) объекты –
наноточки, квантовые точки.
Наноматериалы – макроскопические материалы, построенные
на основе нанообъектов
4
5
Характерные размеры в нанометрах
Простые молекулы
Молекулы ДНК
Вирусы
Бактерии
Амёбы
Пыльца растений
Нематоды
Насекомые
Мелкие млекопитающие
Крупные млекопитающие
1 нм
10 нм
100 нм
НАНООБЪЕКТЫ
1 000 нм
10 000 нм
100 000 нм
1 000 000 нм
10 000 000 нм
100 000 000 нм
1 000 000 000 нм
6
Сопоставление масштабов
Масштабы микромира
Атомы Молекулы Нанообъекты
Клетки
Микробы
Вирусы
7
8
Определение нанотехнологий
(современная Российская версия)
Нанотехнологии –
совокупность технологических методов и приемов, используемых
при изучении, проектировании и производстве материалов,
устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и
управление строением, химическим составом и взаимодействием
составляющих их отдельных наномасштабных элементов
(с размерами порядка 100 нм и меньше как минимум по одному
из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению
дополнительных эксплуатационных и/или потребительских
характеристик и свойств получаемых продуктов.
Согласовано с ГК «Роснанотех» 30.04.2009 г.
Журнал Российские Нанотехнологии, 2010 г., т.5, №7-8, с.8-16.
9
10
ТЫСЯЧЕЛЕТНЯЯ
ИСТОРИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
11
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
Еще в 500 г. художники
делали стеклянные
витражи очень ярких
цветов, которые
невозможно получить с
помощь красок.
Яркость и
долговечность
обеспечивали,
добавляя в стекло
наночастицы
благородных металлов.
12
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
“Кубок Ликурга”
изготовлен
римлянами
до 640 г.
Кубок меняет цвет при освещении изнутри.
Этот эффект создают наночастицы золота и серебра.
13
Более 1000 лет назад арабы изобрели технологию
изготовления дамасской стали. Теперь установлено,
что этот материал содержит углеродные нанотрубки.
( Reibold M., et al. Nature, 444 (2006) 286 )
14
Примеры из тысячелетней
истории нанотехнологий
Из письма Бенжамина
Франклина (7 ноября 1773 г.)
...being at Clapham, where
there is…a large Pond ... I
fetched out a Cruet of Oil,
and dropt a little of it on the
Water. I saw it spread itself
with surprising Swiftness
upon the Surface ... the Oil
tho' not more than a Tea
Spoonful ... which spread
amazingly, and extended
itself gradually … making all
that Quarter of the Pond,
perhaps half an Acre, as
smooth as a Looking
Glass....
31
... the Oil tho' not more than a Tea Spoonful ...
... perhaps half an Acre
….не более чайной ложки масла….
….примерно, половину акра (0,2 гектара)…
Какова была толщина пленки масла ?
Объем = (Площадь)х(Толщина)
Численная оценка показывает, что толщина  1 нм
– одиночный слой молекул
~1 нм
Такие пленки называют монослойными
(лэнгмюровскими)
32
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
Первую в истории
фотографию «Вид из
окна» сделал в 1826 г.
Жозеф Ньепс.
Уже через несколько
лет был изобретены
фоточувствительные
материалы,
содержащие
нанокристаллы
галогенида серебра.
17
Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий
НАНОКОЛЛОИДЫ
Наночастицы не оседают из жидкой среды.
Все цвета радуги можно получить при рассеянии света
нанколлоидами с различными размерами частиц.
Эти эффекты обнаружил Майкл Фарадей (Michael Faraday)
в 1857 году.
18
Основные этапы
современной истории
Фейнман – Танигучи - Дрекслер
19
ФОРМУЛИРОВАНИЕ ИДЕИ.
«ДЕДУШКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ»
20
«Типичный
гений»
Эксцентричный
Ричард Фейнман
( Richard Feynman )
1918 - 1988
© H. Schroeder Loughborough University 1998
Lecture 1.21
Детство / Обучение
• В 15 лет освоил дифференциальное и интегральное исчисления
– В средней школе имел индекс IQ равный 123
• В выпускном классе стал победителем «Чемпионата по
математике» Университета Нью Йорка
• Поступил в Массачусетский Институт Технологий (MIT),
прослушал все курсы по физике
• При поступлении в Принстонский Университет впервые в
истории получил на экзаменах высшие оценки и по физике, и по
математике
– Защитил диссертацию (PhD) в 1942 году
22
Проект «Манхэттен»
• Работал в Лос
Аламосе
• Руководил группой
«людейкомпьютеров»
• В свободное время
занимался
взламыванием
замков, играл на
барабанах
• После атомной бомбардировки, надолго
впал в депрессию
– Считал, что бессмысленно работать на будущее,
так как мир в конце концов будет разрушен
23
Преподавание
• Несмотря на иные многочисленные
предложения. Фейнман выбрал
должность профессора в
Калифорнийском технологическом
институте (Caltech)
– Получил прозвище “The Great
Explainer” (Великий
Объяснитель)
– Старался сделать изложение
любой научной темы
доступным для первокурсников
• Награжден медалью Эрстеда за
выдающиеся успехи в преподавании
24
Лекции Фейнмана, записанные вначале
на магнитофон, а затем «переведенные»
на «письменный английский»
профессорами М.Сэндсом и Р.Лейтоном,
не похожи ни на один известный курс.
Они отличаются оригинальным методом
изложения, в котором отразилась яркая
научная индивидуальность автора,
его точка зрения на пути обучения
студентов физике, его умение заразить
читателей интересом к науке.
25
Создание квантовой электродинамики
• За разработку этой теории в 1965 году награжден
Нобелевской премией по физике (совместно с двумя
другими учеными)
• «Диаграммы Фейнмана»
используют для расчета
взаимодействий элементарных
частиц
• Имеют большое значение для
современной теории «струн»
26
«Дедушка нанотехнологий»
• Лекция “There’s Plenty of
Room at the Bottom: An
Invitation to Enter a New
Field of Physics”
(Там, внизу еще много
места: приглашение в
новый мир физики )
• Прочитана перед
Американским
Физическим Обществом в
1959 году
• Опубликована в журнале
Engineering and Science,
в 1960 году
27
… Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики,
которая представляется весьма важной и перспективной и может
найти множество ценных технических применений. Речь идет о
проблеме контроля и управления строением вещества в интервале
очень малых размеров.
Внизу (т. е. «внизу или внутри пространства», если угодно)
располагается поразительно сложный мир малых форм,
и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому,
что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям
этого мира
… Известные нам принципы физики не запрещают создавать
объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе,
вполне реальна и не нарушает никаких законов природы.
Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем,
что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими
объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие
манипуляции.
28
«Дедушка нанотехнологий»
В декабре 1959 г. Р. Фейнман из своих личных средств
учредил две премии по $1000 за практическое осуществление
двух задач «управления строением вещества в интервале
очень малых размеров», которые казались ему
осуществимыми только в отдаленном будущем:
1) Сделать работающий электромотор, размещающийся в кубе
со стороной 1/64 дюйма (0.4 mm)
2) «Разместить Британскую Энциклопедию на булавочной
головке», то есть, записать текст шрифтом, уменьшенным
в 25 000 раз.
29
«Дедушка нанотехнологий»
Уже менее чем через год, первую премию Фейнмана
получил физик МакЛеллан (McLellan) из Университета Калифорнии.
Работая во время обеденных перерывов, и используя обычный
микроскоп, инструменты часовщика и зубочистки, за 2,5
месяца он собрал электромотор из 13 частей, массой 250 микрограмм
и со скоростью вращения 2000 об/мин.
Крыло
комара
30
«Дедушка нанотехнологий»
Я немного огорчен, что для создания мотора не потребовалось
никаких новых технологий. Я был уверен, что придумал его достаточно
малым, чтобы просто собрать его, однако Вам это удалось. Поздравляю !
Не начинайте работать над мелким шрифтом.
Мне не хотелось бы расстаться со второй премией. Со времени
написания моей статьи, я успел жениться и купил дом !
Искренне Ваш
Ричард Фейнман
31
«Дедушка нанотехнологий»
В 1985 году
вторую премию
получил Томас Ньюман
(Thomas Newman) из
Университета Стэнфорда
за требовавшееся
уменьшение размеров
печатного шрифта.
Первая страница романа
Ч. Диккенса
«Повесть о двух городах»
(A Tale of Two Cities)
(запись электронным
пучком)
32
«Дедушка нанотехнологий»
«И наконец, рискну предложить еще одну идею
(рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое
будущее), которая мне представляется
исключительно интересной. Речь идет о
возможности располагать атомы в требуемом
порядке — именно атомы, самые мелкие
строительные детали нашего мира!»
– Фейнман, 1959
Атомы
Xe
5 нм
D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a
scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990). 33
ПОЯВЛЕНИЕ ТЕРМИНА
«НАНОТЕХНОЛОГИЯ»
34
Норио Танигучи ( Norio Taniguchi )
• Ввел термин в статье 1974
года: "On the Basic Concept of
Nanotechnology" («Об
основных принципах
нанотехнологий»)
• Свой термин Танигучи
относил прежде всего к
допускам обработки
макроскопических объектов и
материалов. По сути, в его
трактовке нанотехнологии
сводились к доведению до
молекулярного совершенства
существующих принципов
механической обработки
материалов.
35
Широкая
общественная популяризация
возможных
практических приложений
«ОТЕЦ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»
36
Эрик Дрекслер ( Eric Drexler ), 1955 г.р.
• (1986) – Книга «Engines of
Creation: The Coming Era of
Nanotechnology» ( «Машины
создания : грядущая эра
нанотехнологии» )
37
«Отец нанотехнологий»
В 1991 году Эрик Дрекслер
защитил первую в истории
диссертацию (PhD),
по нанотехнологиям
38
«Отец нанотехнологий»
• 1986 год - Эрик
Дрекслер – основатель и
председатель
американского
Института Предвидения
и Формирования
Будущего (Foresight
Institute)
39
ГОСУДАРСТВЕННЫЕ
ПРОГРАММЫ
РАЗВИТИЯ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
40
США
41
СТИМУЛЫ
ФУЛЛЕРЕН
обнаружен осенью 1985 г.
42
СТИМУЛЫ
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
обнаружены в 1991 г.
Японский ученый
Профессор
Sumio Iijima
43
РЕАКЦИЯ
В 1999 году Президент
Клинтон
объявляет программу
«Национальная
Нанотехнологическая
Инициатива»
(NNI)
44
Национальная программа нанотехнологий
Белый Дом – ноябрь 2003
45
Администрация Президента США
Государственный Совет по Науке и Технологиям
Комитет по Нанонауке, Нанотехнике и Нанотехнологии
National Science and Technology Council (NSTC)
Committee on Technology
The Interagency Working Group on
NanoScience, Engineering and Technology (IWGN)
46
Книга (2005 г.)
«ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ»
Автор:
G Ali Mansoori
(Университет штата Иллинойс,
Чикаго, США)
Научно-технический журнал
«Нефтяная наука и техника»
Главный редактор:
G Ali Mansoori
(Университет штата Иллинойс,
Чикаго, США)
47
КОНЕЦ
ЛЕКЦИИ
48