Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Национальный Исследовательский Ядерный Университет

(Московский Инженерно — Физический Институт)

Вечерний Факультет

Кафедра «Микро- и наноэлектроника»

Курс ПК-15

Наночастицы – крохотные частицы с огромным потенциалом

Группа: В5-27

Подготовил: Ионов А.Н

Преподаватель: к.т.н. доц. В.А. Лапшинский

Москва 2015

Содержание

Введение....................................................................................................4

Глава 1. Все нано или…?.........................................................................5

Глава 2. Откуда появляются наночастицы………………………..………6

Глава 3. Экзотические наночастицы: графены………..…………………9

Вывод …………………………………………………………………………..10

Список Литературы ………………………………………………………….11

Аннотация

В нашем конспекте мы рассматриваем Наночастицы, откуда они берутся и как их можно произвести промышленным способом. Так же рассмотрим пример с самым распространенным материалом графитом.

Словарь(Глосарий)

 — ISO (Internationale Organisation für Normung) - Международная организация по стандартизации

 — OECD (Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung) - Организация экономического сотрудничества и развития

 — PET (Polyethylenterephthalat) - Полиэтилентерефталат


 — RFID (Radio Frequency Identification) - радиочастотная идентификация


 — VCI (Verband der Chemischen Industrie) - Ассоциация химической промышленности

 — VDI (Verein Deutscher Ingenieure - Общество немецких инженеров)

Рисунки

Рисунок 1 — Пылевые бури сахары

Рисунок 2 — Плазменный факел

Рисунок 3 — Карандаш(Графит)

Ключевые слова

Пылевые. Карандаш. Графит. Факел. Наночастицы. Нанотехнологии. Графены. Нанометр.

ВВЕДЕНИЕ

            Без наноматериалов, структуру которых нам сложно наблюдать даже с помошью специальных приборов, наша повседневная жизнь уже не мыслима. Благодаря им наши автомобили становятся более экологически чистыми и надежными, медикаменты более эффективными, и в тоже время - щадящими, а мобильные телефоны и ноутбуки все компактнее и мощнее. Кроме того, нанотехнология несет в себе большой потенциал для использования в сфере защиты климата и природных ресурсов. Ведь только с помощью нанотехнологии возможна разработка эффективных технологий охраны окружающей среды и методов использования возобновляемой энергии.

            Эта брошюра предлагает вам заглянуть в мир наночастиц, объясняя технологии их производства и использования, здесь же вы найдете описание способов возникновения наночастиц в природе. Кроме того, брошюра содержит информацию об уже изученном воздействии наночастиц на состояние здоровья, об общественном восприятии и фактических рисках, а также способах их предотвращения. Тем самым, мы хотим внести свой вклад в предметное и серьезное обсуждение вопросов нанотехнологий. Предлагаем вам узнать новое из мира наночастиц и принять участие в диалоге о развитии нанотехнологии - одной из важнейших технологий будущего. Эта брошюра содержит важную информацию о достижениях и развитии в этой области. 

Глава 1. Все нано или…?

Один нанометр равен миллионной части одного миллиметра. Это очень, очень мало; атомы — основные кирпичики нашей жизни - всего лишь в десять раз меньше одного нанометра. В точке над i помещаются намного больше чем 1010 точек диаметром в один нанометр, т.е. более 10.000.000.000.

Нанотехнология — это искусство использования в соответствующих целях и со знанием дела структур веществ размером от одного до ста нанометров, обладающих полезными функциями. При этом выражение «со знанием дела» очень важно, так как иначе нанотехнологией можно было бы назвать и маслоделие, ведь молоко содержит бесчисленное количество наночастиц, но для сбивки масла этого знать не надо. В клетках любого живого организма, любого растения полным-полно наночастиц.

Как правило, наночастицы обладают другими свойствами, чем тот же материал в более крупном масштабе. Если золотое обручальное кольцо блестит желтым цветом, то наночастицы золота могут окрасить бокал вина красным цветом, что в данном случае объясняется законами квантовой механики, предусматривающими для очень мелких веществ совсем другие правила поведения. Например, золото в крупном масштабе - химически малоактивное вещество; в объеме нанокластера или нанокомочка оно может быть каталитически активным, как, например, платина в составе катализатора.

Наночастицы уже по геометрическим законам обладают большей реакционной способстью, так как доля поверхностных атомов растет по мере уменьшения размера частицы. Поверхностные атомы склонны к образованию соединений. Некоторые наночастицы, поэтому должны храниться в защитной 

газовой среде, так как на воздухе они мгновенно сгорают. Также возможны взрывы пыли, что не является характерным свойством только лишь наночастиц: подобные взрывы могут возникать, например, и в мучной пыли. Поэтому дорогую нанопыль необходимо беречь как зеницу ока и в силу финансовых причин, не говоря уже о производственной безопасности.

В рамках целого ряда специальных программ Федеральное министерство образования и научных исследований поддерживает в связи с этим исследования в области безопасности технологии наночастиц. Далее в тексте будут подробно описаны риски данной технологии, а также и возможности, связанные с ней. Возможностей настолько много, что они в состоянии частично компенсировать ожидаемые последствия неизбежной глобальной индустриализации мира. Поэтому необходимо взвесить возможные риски по сравнению с возможностями, упущенными из-за отказа от использования наночастиц. Диапазон возможных рисков можно оценить только на основе результатов проведенных исследований по безопасности наночастиц. До тех пор ученые и промышленные предприятия будут прилагать все усилия для выявления возможных вредных воздействий и их предотвращения.

Глава 2. Откуда появляются наночастицы?

Наночастицы — не изобретение человека, найти их можно и в природе, хотя и в других формах, отличных от тех, которые используются в промышленности. Например, песок в провинции Бранденбург образуется в результате выветривания так называемого Балтийского щита, горного массива, вершина которого доходила когда-то до воздушных дорог современных крупных самолетов. Его коррозия – причина распространения миллионов мелких частиц в природе, ведь нет закона природы, согласно которому процесс выветривания не срабатывает для наноразмерных частиц.

Но продукты выветривания в наноразмерном масштабе склонны к повторному объединению в более крупные частицы, Технические наночастицы защищены от этого посредством специальных оболочек, за счет чего нанотехнические преимущества не теряются.

Тем не менее, пылевые бури Сахары (Рис.1), которые разносят столько песка над океаном, что они видны из космоса, дают представление о том, какие объемы наномасштабного кварца (диоксида кремния SiO2) находятся в атмосфере, конечно, не видимые невооруженному глазу. 

Такие элементы, как кремний синтезируются в звездах, они находятся в виде наночастиц в звездной атмосфере, вмежзвёздном пространстве и постоянно опускаются на Землю. 

Промышленное производство наночастиц

Есть два принципиально различных метода получения наночастиц. Например, можно расщеплять достаточно большой кусок материи до тех пор, пока размер фрагментов не будет составлять один нанометр. В промышленности есть широко распространенный метод уменьшения размера минеральных компонентов посредством шаровых мельниц. В целях достижения наномасштабов порошки типичных наночастиц размером в 50 кмк вместе с шарами из закаленой стали или карбида вольфрама помещаются в закрытый сосуд, который затем приводится в быстрое движение. Этим методом можно достичь размера от 3 до 25 нм. Такие методы относятся к категории «top-down», т.е. сверху вниз, от больших к мелким структурам. Для развития более мощных и удобных в обращении электронных приборов, таких как ноутбуки, мобильные телефоны или цифровые плэйеры данный метод миниатюризации используется в информационной технике не один десяток лет. (Рис.2)

Другой метод представляет собой формирование наномасштабных частиц из мельчайших известных элементов, т.е. атомов и молекул. Он называется «bottom-up», т.е. снизу вверх. Для создания таких частиц наша природа предпочитает именно этот метод. Наночастицы — крохотные частицы с огромным потенциалом.

Глава 3. Экзотические наночастицы: графены

Графит ­­— это чистый углерод особой кристаллической формы, представляющей собой слои углеродных сеток. Внутри каждой сетки находятся крепкие связи между атомами углерода, однако отдельные сетки или слои не соединяются друг с другом плотно, поэтому они могут сдвигаться. Вот почему карандаш (Рис.3) , стержень которого в основном состоит из графита, может быть «мягким»: при письме
кристалликов графита, находящихся в стержне карандаша.
 Их размеры крохотны, но они все-таки могут изучатся с помощью электронного микроскопа в виде сеток, которые не дают тени в электронном пучке и возможно смогут удержать одну единственную молекулу для ее исследования. Графеновые слои обязаны своей стабильностью тому факту, что являются немного «помятыми», как например, скомканный и снова разглаженный лист бумаги.

«Помятые» графеновые сетки привлекают физиков не только из-за их пригодности для использования в электронных микроскопах. Уникальность моноатомных слоев заключается в их электрических свойствах. Так, например, они способны вызвать так называемый квантовый эффект Холла уже при комнатной температуре, в то время как Клаус фон Клитцлинг работал для этого с температурами приближенными к точке абсолютного нуля. Ограничение электропроводимости только на один атомный слой вызывает у электронов странное совместное поведение: они формируют квазичастицы, представлющие собой световые электроны, - и вот в научной литературе уже появляется идея о создании супербыстрых электронных переключателей. Кроме того, электрические свойства графитовых хлопьев описываются математическими методами, которые применяются также и при работе с экстремальными состояниями, происходящими, например, в нейтронных звездах. При письме карандашом образуются бесчисленные графитные хлопья, таким образом карандаши могут привести нас прямо в область космических нагрузок. 

Вывод

Данный конспект нам рассказал, что такое наночастицы. Есть ли они в природе и как их можно получать промышленным способом. Рассмотрели на примере карандаша природные наночастицы. Рассмотрели графеновые сетки. После рассмотрения всех этих вопросов, надеюсь, ни для кого не осталось секретом, что изучение наночастиц очень важный вопрос для нашего будущего. Это касается как и техники, так и медицины, так и других наук.

Список литературы

1. Проект Министерства науки NanoCare:

www.nanopartikel.info

2. Проект Министерства науки INOS:

www.nanotox.de

3. Проект Министерства науки Tracer:

www.nano-tracer.de

4. Инфопортал по нанотехнологическим нормам:

www.nano-regulation.ch

5. Стандартизация ИСО TC 229:

www.iso.org

6. Сведения и базы данных по оценке рисков при использовании наноматериалов:

www.icon.rice.edu