что такое функциональные материалы
Функциональные материалы: реальность и перспективы
Вторая премия ОИЯИ в области научно-методических исследований была присуждена за цикл работ «Комплексный метод исследования перспективных функциональных материалов с помощью квантовой химии, нейтронного рассеяния и оптической спектроскопии» (авторы В.Ю.Казимиров, М.Б.Смирнов, А.М.Балагуров, И.Натканец). Сегодня мы знакомим читателей с этими исследованиями.
Под термином «функциональные материалы» понимают широкий класс веществ, которые используются в самых разнообразных областях современной жизни: от микроэлектроники до космических исследований и обладают вполне определенными, желательно настраиваемыми, физическими и химическими свойствами. К таким материалам, в частности, могут быть отнесены композиты, сплавы, полимерные соединения. Создание оптимального материала требует усиления или подавления каких-либо свойств в уже имеющемся материале («тюнинг») и невозможно без привлечения современных экспериментальных и теоретических подходов. Для понимания процессов, приводящих к появлению тех или иных свойств конкретного вещества, надо знать его атомную структуру, которую можно назвать «фотографией» последствий взаимодействия различных элементов структуры к моменту ее окончательного формирования. Имея такую «фотографию», можно целенаправленно менять свойства материала.
Для получения информации об атомной структуре широко используются дифракционные методы, оптическая спектроскопия, электронная микроскопия и другие. Несмотря на то что к настоящему времени эти экспериментальные методы хорошо развиты, обойтись без привлечения теоретических (модельных) представлений, как правило, не удается. Продолжим аналогию с фотографией: на черно-белом снимке бывает сложно понять, какого цвета тот или иной объект. С другой стороны, теоретические методы дают возможность «предсказывать» изменение структуры и свойств вещества, например при изменении внешних условий или при введении примесей в матрицу основного вещества.
В цикле работ сотрудников ЛНФ имени И.М.Франка и Института физики имени В.А.Фока, получившем вторую премию ОИЯИ за 2012 год, расчетные и экспериментальные методы объединены для анализа свойств нескольких типов функциональных материалов. В первой его части изучаются не вполне обычные вещества, которые называют металлическими стеклами, представляющие собой, как правило, многокомпонентные сплавы с аморфной атомной структурой. Подобного рода объекты в виде тонких пленок или фольг были синтезированы впервые в середине прошлого века, однако долгое время оставались малодоступны для исследования по причине высокой стоимости и сложности изготовления. Ближе к концу ХХ века удалось синтезировать массивные образцы металлических стекол, которые обнаружили выдающиеся физические характеристики по сравнению с обычными поликристаллическими сплавами. Зачастую они имеют очень высокие механические свойства (прочность, износостойкость), коррозионную стойкость, электрическую проводимость и теплопроводность (в отличие от «ординарных» силикатных стекол), а в некоторых случаях и интересные магнитные свойства.
В целом следует отметить, что использованный подход оказался чрезвычайно плодотворным и универсальным, он с успехом может быть применен к исследованию конденсированных сред различной природы. Можно не сомневаться, что в дальнейшем подобный симбиоз теории и эксперимента позволит моделировать свойства материалов и синтезировать их по мере необходимости.
Функциональные наноматериалы
Высок интерес к функциональным наноматериалам. При переходе к микро- и наноразмерам у материалов появляются совершенно новые свойства, связанные с тем, что соотношение атомов на поверхности материала и в его объеме в случае наноматериалов может идти в пользу поверхности, а не объема. Благодаря этому материал может дать совершенно новые свойства, которые невозможно увидеть и предсказать в объеме, но которые будут полезны именно в форме наноматериала.
В последнее время интерес проявляется не к чистым материалам как таковым, а к различным их соединениям, не столько к сплавлению материалов, сколько к установлению между разнородными материалами на микро- и наноуровне определенных связей, дающих совершенно новый материал с новыми свойствами, которые не могут быть получены по отдельности для каждого из материалов.
Целенаправленно работать с наноматериалами стали после появления зондовых микроскопов в 1980-х годах. Эти устройства позволяют манипулировать отдельными структурными элементами на уровне молекул или атомов и визуализировать все, что получено. Благодаря этому ученые получили огромный объем новой информации и новых возможностей по созданию материалов.
Почему наноматериалы значительно отличаются от классических конструкционных материалов? Огромную роль в наноматериалах играет отношение количества поверхностных атомов к количеству атомов в объеме. В объемном материале количество поверхностных атомов по сравнению с основным объемом очень мало. Когда это количество сравнимо или, например, превышает, то есть количество поверхностных атомов превышает количество атомов в объеме, даже классический материал может получать совершенно новые свойства, которые другим путем достигнуты быть не могут. Благодаря тому, что накопился критический объем знаний и возможностей по целенаправленной манипуляции и заданию свойств материалов, мы можем пытаться с ними работать и разрабатывать новые материалы.
Оксид графена и восстановленный оксид графена замечательны тем, что на их основе можно создать макроразмерный проводник. В восстановленном оксиде графена присутствуют функциональные карбоксильные, карбонильные или эпоксидные группы, а к ним можно ковалентно пришивать другие вещества. Это означает, что у нас получается единый материал, который можно использовать не просто как проводник электричества, а как чувствительную область, обладающую, помимо электропроводности, еще чувствительностью к внешнему биологическому агенту. В зависимости от того, что на поверхности восстановленного оксида графена пришито к функциональным группам, можно снимать различный биологический сигнал. Эта идея и лежит в основе одного из вариантов биологического сенсора.
Биологические сенсоры могут выглядеть по-разному, в моем случае это просто проводник на гибкой подложке, закрытый сверху полимерной пленкой, в которой есть отверстие. В это отверстие можно нанести раствор с белками, на который нужно получить сигнал. Это аналог всем известного теста на глюкозу, который позволит детектировать не только глюкозу, но и различные заболевания или даже набор заболеваний.
К функциональным материалам относится класс электроактивных полимеров. Они представляют собой гибкий конденсатор, внутри которого есть ионопроводящая жидкость. При подаче на них электричества такой полимер может сгибаться в сторону, что дает возможность использовать его как актуатор, маленький двигатель. Это применяется в создании нано- или микророботов, для прецизионного перемещения инструментов, например, при исследовании клеток.
Наверняка будут работы по созданию функциональных материалов для защиты от излучения. В связи с желанием освоить близлежащие спутники и планеты потребуется лучшая защита от ионизирующего излучения в космосе. Она должна быть ко всему прочему легкой. Такие материалы будут использованы и сейчас используются для создания батарей, хранилищ энергии, для формирования изображений в дисплее.
Функциональные материалы: реальность и перспективы
Вторая премия ОИЯИ в области научно-методических исследований была присуждена за цикл работ «Комплексный метод исследования перспективных функциональных материалов с помощью квантовой химии, нейтронного рассеяния и оптической спектроскопии» (авторы В.Ю.Казимиров, М.Б.Смирнов, А.М.Балагуров, И.Натканец). Сегодня мы знакомим читателей с этими исследованиями.
Под термином «функциональные материалы» понимают широкий класс веществ, которые используются в самых разнообразных областях современной жизни: от микроэлектроники до космических исследований и обладают вполне определенными, желательно настраиваемыми, физическими и химическими свойствами. К таким материалам, в частности, могут быть отнесены композиты, сплавы, полимерные соединения. Создание оптимального материала требует усиления или подавления каких-либо свойств в уже имеющемся материале («тюнинг») и невозможно без привлечения современных экспериментальных и теоретических подходов. Для понимания процессов, приводящих к появлению тех или иных свойств конкретного вещества, надо знать его атомную структуру, которую можно назвать «фотографией» последствий взаимодействия различных элементов структуры к моменту ее окончательного формирования. Имея такую «фотографию», можно целенаправленно менять свойства материала.
Для получения информации об атомной структуре широко используются дифракционные методы, оптическая спектроскопия, электронная микроскопия и другие. Несмотря на то что к настоящему времени эти экспериментальные методы хорошо развиты, обойтись без привлечения теоретических (модельных) представлений, как правило, не удается. Продолжим аналогию с фотографией: на черно-белом снимке бывает сложно понять, какого цвета тот или иной объект. С другой стороны, теоретические методы дают возможность «предсказывать» изменение структуры и свойств вещества, например при изменении внешних условий или при введении примесей в матрицу основного вещества.
В цикле работ сотрудников ЛНФ имени И.М.Франка и Института физики имени В.А.Фока, получившем вторую премию ОИЯИ за 2012 год, расчетные и экспериментальные методы объединены для анализа свойств нескольких типов функциональных материалов. В первой его части изучаются не вполне обычные вещества, которые называют металлическими стеклами, представляющие собой, как правило, многокомпонентные сплавы с аморфной атомной структурой. Подобного рода объекты в виде тонких пленок или фольг были синтезированы впервые в середине прошлого века, однако долгое время оставались малодоступны для исследования по причине высокой стоимости и сложности изготовления. Ближе к концу ХХ века удалось синтезировать массивные образцы металлических стекол, которые обнаружили выдающиеся физические характеристики по сравнению с обычными поликристаллическими сплавами. Зачастую они имеют очень высокие механические свойства (прочность, износостойкость), коррозионную стойкость, электрическую проводимость и теплопроводность (в отличие от «ординарных» силикатных стекол), а в некоторых случаях и интересные магнитные свойства.
В целом следует отметить, что использованный подход оказался чрезвычайно плодотворным и универсальным, он с успехом может быть применен к исследованию конденсированных сред различной природы. Можно не сомневаться, что в дальнейшем подобный симбиоз теории и эксперимента позволит моделировать свойства материалов и синтезировать их по мере необходимости.
Лекция 1. Новые функциональные материалы
Новые функциональные материалы. Значение функциональных материалов в создании конкурентоспособной продукции. Характерные особенности ФМ, определяющие их конкурентоспособность
Быстрый рост темпов технического развития ведущих отраслей промышленности ставит материаловедов перед выбором – продолжать совершенствовать свойства у материалов, уже ставших традиционными, либо создавать принципиально новые классы материалов, обладающих комплексом аномально высоких свойств. Исследования показывают, что достижение значительного успеха при реализации первого пути в материаловедении маловероятно – практически достигнутый уровень свойств близок к теоретическому. Поэтому, крупные научно-исследовательские центры в развитых странах отдают предпочтение разработкам в области новых материалов.
По сравнению с другими областями науки и техники новые и новейшие материалы играют совершенно специфическую роль, которая может быть охарактеризована следующим образом:
1. Материалы являются стержнем воплощения любой научно-технической идеи, обусловливают саму возможность такого воплощения;
2. Материалы стоят во главе научно-технического прогресса вообще, так как способствуют генерации новых идей при возникновении потребности в материалах с новыми характеристиками;
3. Большинство материалов используются в продукции двойного применения, что в значительной мере облегчает проблему конверсии их производства.
4. Наличие или отсутствие требуемых материалов определяет зависимость или независимость государства от внешних источников
5. Конкурентоспособность промышленной продукции в эпоху высоких технологий определяется уровнем достигнутых характеристик используемых материалов.
По установившейся в мировой практике оценке, более 80% приоритетных разработок объектов новой техники в ведущих областях народного хозяйства к 2006 году будет определяться созданием новых материалов и высоких технологий.
Наряду с конструкционными материалами большую роль в обеспечении конкурентоспособности промышленных изделий играют функциональные материалы, в число которых входят 10 наиболее перспективных классов материалов (рис.1).
Особая роль функциональных материалов и технологий их получения и обработки состоит в том, что они являются опорной базой модернизации практических всех видов конкурентоспособных изделий. Следует подчеркнуть, что функциональные материалы в силу своей малой материалоемкости являются основой гибких производств и открывают пути быстрой модернизации и перестройки оборудования для создания новых производств перспективной техники.
Известно, что расходы на функциональные материалы являются одним из ключевых разделов бюджетов министерств энергетики и экономики США. О важности разработок новых функциональных материалов говорит и тот факт, что они постоянно включаются в списки ключевых (критических технологий всех стран-членов MRS).
В конце прошлого века работы в области новых материалов стали объектом государственной политики стимулирования экономического роста в большинстве промышленно развитых стран.
В середине 1993 года ОSТР и FССSTТ в качестве национальных приоритетов назвали следующие шесть научно-технических областей:
o технологии новых материалов;
o высокопроизводительные ЭВМ и компьютерные сети;
o системы наблюдения за состоянием окружающей среды;
o образование в области естественных наук;
o современные методы и средства промышленного производства.
Процессы изготовления новых материалов относятся к высоким технологиям и характеризуются всеми особенностями последних. Исследование; проведенное в США, показало, что фирмы, специализирующиеся на высоких технологиях, играют важную роль для страны по четырем показателям: создание рабочих мест, рост числа сотрудников, объем годовых продаж и объем экспортируемой продукции. В таблице 2 представлены показатели фирм США, специализирующихся на высоких технологиях в различных отраслях производства.
Данные таблицы 1 показывают, что продукция фирм, производящих высокотехнологичные материалы, имеют большую добавленную стоимость, о чем свидетельствует годовой объем продаж, приходящихся на одного служащего, уступающий лишь аналогичному показателю фирм, производящих аппаратные средства ЭВМ. Кроме того, фирмы, производящие высокотехнологичные материалы, имеют самую большую долю экспортируемой продукции. Таким образом, средства, затрачиваемые на НИОКР по новым материалам, в результате их внедрения дают весьма удовлетворительную отдачу с точки зрения торгового баланса страны.
СОВРЕМЕННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1 Формирование системы инновационного Образования в МГУ им.м.в.ломоносова «Новые материалы и химические технологии» СОВРЕМЕННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Академик Ю.Д.Третьяков Профессора Е.А.Гудилин А.Р.Кауль А.В.Шевельков Лекция 1. Введение 1
2 Составляющие курса Материалы. Прошлое, настоящее, будущее (1 семестр), Химическая физика твердого тела и Физико-химия и технология материалов (8 семестр). Перспективные процессы и материалы, Введение в специальность ( 1 семестр ), Реальная структура твердых тел ( 4 семестр ), Неорганические материалы ( 5 семестр ). 36 часов, лекций («Функциональные материалы 1»)
10 домашних к.р. по 10 б.
2 коллоквиума (асп.) по б. Экзамен (и Химфак, и ФНМ. ) 50 б. Рейтинг (к.р. + колл. + экз.)
200 б., (%) Рекомендовано: Функциональные материалы 2 (спецкурс, 36 ч.) Семинары (корреляция с лекциями) + Экскурсии (профориентация) Лекция 1. Введение 2
3 Основные разделы курса Систематика функциональных материалов Принципы получения и дизайна материалов Типы материалов Физические свойства и диагностика материалов Практические применения материалов (ультрадисперсные материалы и наноструктуры, стеклообразные и аморфные материалы, керамика, синтетические кристаллы, пленки, полупроводники, диэлектрики, магнитные и оптические материалы, твердые электролиты, высокотемпературные сверхпроводники, биоматериалы, жидкие кристаллы) Лекция 1. Введение 3
4 Основная литература 1. А.Вест. Химия твердого тела. М.: Мир, 1988, т.1,2. 2. А.А.Чернов, Е.И.Гиваргизов, Х.С.Багдасаров, В.А.Кузнецов, Л.Н.Демьянец, А.Н.Лобачев. Современная кристаллография. Т.1-3. М.: Наука, Ю.Д.Третьяков, Х.Лепис. Химия и технология твердофазных материалов. М.: МГУ, В.И.Фистуль. Физика и химия твердого тела, т.1,2. М.: Металлургия, Ч.Н.Р.Рао, Дж.Гополакришнан. Новые направления в химии твердого тела. Новосибирск: Наука, О.Уайэтт, Д.Дью-Хьюз, Металлы. Керамики. Полимеры., М.: Атомиздат, У.Д.Кингери. Введение в керамику. М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1967, 494 с. 8. Дж.Блейкмор. Физика тв.тела. Мир, Москва, 1988, Лекция 1. Введение 4
5 Работа с журналами Неорганические материалы Успехи Химии Материаловедение Journal of Materials Chemistry Journal of Materials Research Journal of Solid State Chemistry Ceramics International Chemistry of Materials Advanced Materials Materials Today Лекция 1. Введение 5
6 Электронные источники (Перст Перспективные Технологии) (EFFORT) (Materials Today!) (Электронная библиотека РФФИ и ФНМ) (Популярные статьи по ВТСП) (PDF файлы) Лекция 1. Введение 6
7 Материалы Лекция 1. Введение 7
8 Лекция 1. Введение 8
9 Перспективные технологии Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ (выборка, ПЕРСТ, том 9, выпуск 17, 15 сентября 2002: Высокопроизводительные вычислительные системы. Информационно-телекоммуникационные системы. Компьютерное моделирование. Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии. Материалы для микро- инаноэлектроники. Мембранные технологии. Микросистемная техника. Мониторинг окружающей среды. Нетрадиционные возобновляемые экологически чистые источники энергии и новые методы ее преобразования и аккумулирования. Опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь. Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки, контроля. Синтез лекарственных средств и пищевых добавок. Синтетические сверхтвердые материалы. Технологии на основе сверхпроводимости. Экологически чистый и высокоскоростной наземный транспорт. Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров. Базовые и критические военные и специальные технологии. Лекция 1. Введение 9
11 Создание материалов Лекция 1. Введение 11
12 Формы материалов Лекция 1. Введение 12
13 Классификация по составу Лекция 1. Введение 13
14 Классификация по структуре Лекция 1. Введение 14
15 Классификация по типам Лекция 1. Введение 15
16 Классификация по свойствам Лекция 1. Введение 16
17 Схема взаимодействия тепловых, электрических и механических явлений в кристаллах Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская «Основы кристаллофизики» М.:Наука, глав. ред. ф.-м. лит Лекция 1. Введение 17
18 Принципы создания материалов Лекция 1. Введение 18
19 Лекция 1. Введение 19
20 Лекция 1. Введение 20
21 Лекция 1. Введение 21
22 Уровни структуры Иерархическая структура керамических материалов является своеобразной «записью» истории получения материала и предопределяет, как правило, его основные функциональные характеристики: МАТЕРИАЛ = ФАЗА + «ДЕФЕКТЫ» Лекция 1. Введение 22
23 Лекция 1. Введение 23
24 Лекция 1. Введение 24
25 Упорядоченные структуры Лекция 1. Введение 25
26 Самосборка и самоорганизация Самосборка процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как части целого, результирующую сложную структуру. Самоорганизация может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе, за счет многочисленных и многовариантных взаимодействий компонент на низких уровнях, на которых существуют свои, локальные, законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся системы. Для процессов самоорганизации характерны различные по масштабу энергий взаимодействия, а также существование ограничений степеней свободы системы на нескольких различных уровнях ее организации. Лекция 1. Введение 26
27 Ассоциаты наночастиц Лекция 1. Введение 27
28 Деламинирование при интеркаляции деинтеркаляции (шпинели) Лекция 1. Введение 28
29 Структура гибридных ксерогелей Лекция 1. Введение 29
30 Тубулярные структуры Лекция 1. Введение 30
31 Встраивание частицы в рельеф Лекция 1. Введение 31
32 Неравновесные системы Лекция 1. Введение 32
33 Упорядочение/ячейки Лекция 1. Введение 33
34 Ячейки Беннара Вид сверху Строение Лекция 1. Введение 34
36 Правило Кюри 1) симметрийные условия сосуществования среды и происходящих в ней явлений (явление может существовать в среде с его характеристической симметрией или симметрией одной из надгрупп или подгрупп последней); 2) необходимость наличия дисимметрии ( дисимметрия творит явление ); 3) правило суперпозиции элементов симметрии и дисимметрии среды и явления (в следствии сохраняются лишь общие для среды и явления элементы принцип дисимметризации); 4) сохраняемость элементов симметрии и дисимметрии причин в порождаемых ими следствиях (элементы симметрии причин обнаруживаются в произведенных следствиях, дисимметрия следствия должна обнаруживаться в породивших его причинах принцип симметризации). Лекция 1. Введение 36
37 Анкета 1. Что такое материал (общее определение)? 2. В чем разница между функциональными и конструкционными материалами? 3. Назовите химические соединения (1-2 формулы), являющиеся типичными представителями: наноматериалов, катализаторов, стекол, диэлектриков, полупроводников, сверхпроводников, супериоников, магнитных и биоматериалов. 4. Чем наука о материалах отличается от неорганической химии, физической химии, физики, химии твердого тела? Как определить место наук о материалах среди остальных наук? 5. Что является объектом исследований науки о материалах? 6. Каковы основные цели и тенденции развития современного материаловедения? 7. Какие науки вносят наибольший вклад в изучение материалов? 8. Какие существуют методы физико-химического исследования материалов? 9. В чем проявляется роль фундаментального материаловедения в современном обществе? 10. В чем причина изменения современных приоритетов развития материаловедения? Что относится к критическим технологиям развития в настоящее время? Лекция 1. Введение 37
38 Литература 1. Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин «Фундаментальные физикохимические принципы в неорганическом материаловедении», ЖВХО, т.36, н.6, 1991,с.265 (подробное обсуждение всех принципов!) 2. Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин, «Проблемы и перспективы развития материалов», ЖВХО, т.36, н.6, 1991, (введение к номеру) 3. Г.Николис, И.Пригожин, Познание сложного, М.:Мир, 1990, 341 с. 4. А.Баблоянц, Молекулы, динамика и жизнь, М.:Мир, 1990, 373 с. 5. В.С.Иванова, А.С.Баланкин, И.Ж.Бунин, А.А.Оксогоев. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, Лекция 1. Введение 38