презентация в профильном классе на элективных курсах

Выполнил работу: Нестеров АндрейШкола №7, 10 класс, г. МедногорскНанотехнологии в капле жидкостиг. Медногорск 2011-2012 учебный годНаучно-практическая конференцияСекция: ФИЗИКА

Введение:Нанотехнология, нанонаука — это наука и технология коллоидных систем, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника. Принципиальное отличие коллоидных систем, к которым относятся облака, кровь человека, молекулы ДНК и белков, транзисторы, из которых собираются микропроцессоры, в том, что поверхность таких частиц или огромных молекул чрезвычайно велика по отношению к их объёму. Такие частицы занимают промежуточное положение между истинными гомогенными растворами, сплавами, и обычными объектами макромира, такими, как стол, книга, песок. Их поведение, благодаря высокоразвитой поверхности, сильно отличается от поведения и истинных растворов и расплавов, и объектов макро мира. Как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль, когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров: отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов, о которых идет речь.
Исследовательская работа направлена на моделирование процессов массопереноса, выявления механизмов структуро-образования в высыхающих на твердом горизонтальном непроницаемом основании каплях жидкостей, содержащих наночастицы и растворенные вещества.Цель исследования:
Проанализировать исторические и теоретические материалы образования наночастиц в высыхающей капле каллоидного раствора.Основные задачи:2. Проанализировать модели процессов, протекающих в высыхающих каплях, на основе публикаций по направлению исследований.3. Изучить влияние закона испарения на гидродинамические течения и пространственное перераспределение веществ внутри капли.4. Разработать модели, с помощью виртуального лабораторного практикума «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» - nanoModel, позволяющие исследовать динамику эволюции формы капли каллоидного раствора.

Объекты исследования: высыхающие на твердом горизонтальном непроницаемом основании капли жидкостей.Предмет исследования: наночастицы. Методы исследования: Математическое моделирование процессов перераспределения веществ и эволюции фазовой границы в высыхающих каплях при образовании архитектуры наночастиц с использованием программного комплекса nanoModel 2.6Научная новизна: Все выводы и результаты, приведенные в исследовательской работе, являются оригинальными.

Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман (Нобелевский лауреат 1965 г.) в своей лекции "Как много места там, внизу" ("There’s plenty of room at the bottom"), прочитанной перед Американским физическим обществом, отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.Немного из истории
Упорядоченные одним образом, атомы составляют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым.Уголь и алмазы, рак и здоровая ткань: вариации в упорядочении атомов различили дешевое от драгоценного, больное от здорового.Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.НанороботыРобот-амёба: перспектива освоения других планет
ppt_yppt_yppt_y
МедицинаВ медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменятьструктуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.
style.rotation
style.rotation
style.rotation СтроительствоОдна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, — это строительство. Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки — так называемые наноинициаторы — значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин — в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2—3 раза. Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он используется в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.
ppt_xxshearppt_x
ppt_xxshearppt_x
ppt_xxshearppt_x Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники. Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности, когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков.Электроника
Практическая работаКапля, нанесенная на подложку, после испарения оставляет на ней ансамбль из микросфер («кольца») определенной архитектуры, зависящей от многих параметров. Поэтому, для получения наноструктурированных материалов с заранее заданными свойствами весьма актуальным является изучение влияний различных исходных параметров на конечную архитектуру рабочего элемента – нанесенного «кольца».«Самосборка ансамблей микро- и наночастиц в капле растворителя»:Цель работы: Исследование зависимости морфологии ( характера расположения на подложке и упорядочения) ансамбля микро- и наночастиц, получаемой в результате самосборки, а также времени высыхания растворителя, от физико-химических параметров системы ( смачиваемости подложки, гистерезиса контактного угла, размера и количества частиц).
Задачи, выполняемые в процессе работы:Получение теоретических представлений о явлении самосборки ансамблей частиц путем компьютерного моделирования процессов в высыхающей капле коллоидного раствора.Ознакомление с основными движущими силами процессов самосборки и их применением для получения структуры с заданной морфологией.Ознакомление с методом диссипативной динамики частиц как инструмента компьютерного расчета морфологии ансамбля наночастицв высыхающей микрокапле раствора.Конкретные задания могут включать исследования воздействия на самосборку следующих параметров системы: Cмачиваемости раствором подложки (задается величиной контактного угла φ); рекомендуемые диапазоны 300-900 Радиуса частиц R (от 50 нм до 1000 нм, шаг варьирования выбрать самостоятельно, предлагаемый по умолчанию вариант - 50 нм) Количества частиц в ансамбле N (от 500 до 10000, шаг варьирования выбрать самостоятельно, предлагаемый по умолчанию вариант – 500)
Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров плотностей веществ на создание архитектуры наночастиц при высыханиии капли жидкости в следующих веществах: ВеществоЗначение плотности г/см³Значение параметра плотности растворителя (с учетом используемой системы единиц)Бензин0.70700Эфир0.72720Ацетон0.792792Спирт0.80800Керосин0.82820Скипидар0.86860Масло(машинное)0.91910Вода1.001000Глицерин1.261260Серная кислота1.841840 БензинЭфирАцетонСпиртКеросинСкипидарМасло машинноеВодаГлицеринСерная кислота









Вывод:Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при использовании следующих растворителей :спирт, скипидар, вода, масло(машинное). Плотность растворителя варьируется в диапазоне от 800 кг/м3 до 1000 кг/м3. При использовании серной кислоты четкой архитектуры колец не наблюдается.
Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров температуры и создание архитектуры наночастиц при высыхании.295(22˚С)300(27˚С)305(32˚С)310(37˚С)315(42˚С)




Вывод:Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при температуре 295 К (22˚С) и 300 К (27˚С). При других,более высоких температурах , архитектура колец не успевает выстроиться, так как время высыхания капли имеет малый интервал, в результате турбулентные потоки не успевают сформировать архитектуру колец в капле жидкости.
Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров относительно влажности на системах SiO2-вода-SiO2 и создание архитектуры наночастиц при высыхании. 0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0









Вывод:Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при относительной влажности 50 до 70 %. Так же, как и с изменением температуры, очевидно, что от скорости испарения должна зависеть и архитектура наночастиц.
Проведены вычислительные эксперименты, направленные на оценку влияния изменения параметров угла контакта (угол между касательной к поверхности капли и горизонтальной прямой на создание архитектуры наночастиц при высыхании. 30˚35˚40˚45˚50˚55˚60˚65˚70˚75˚80˚85˚90˚












Вывод:Четкая архитектура колец при высыхании капли жидкости в трех системах выстраивается при угле контакта в 90˚.
Заключение:Выбор темы связан с тем, что в данное время нанотехнология и производство наноматериалов становится одним из основных направлений научного и технологического развития во всем мире (в том числе и в России). Возросший в последнее время интерес к нанообъектам, объясняется целым рядом причин. Во-первых, научными. Например, исследование уникальных свойств, которые проявляют вещества, обладающие наноразмерами (повышенная электропроводимость, оптические и магнитные свойства, наблюдение квантово-размерных эффектов). Во-вторых, прикладными причинами: создание миниатюрных устройств, использование для сверхвысокой плотности записи информации, а также применение в прикладных задачах в различных областях химии, физики, биологии, микроэлектроники и других сферах .