IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В настоящее время развитие машиностроения неразрывно связано с производством новых материалов и использованием нанотехнологий. От свойств природных и созданных человеком материалов зависит прочность и долговечность выполненных из них изделий, деталей и машин. На сегодняшний день, в науке разработаны композиционные, наноструктурные, полимерные материалы, которые применяются в энергетике и других отраслях техники. Дальнейшее развитие машиностроения также невозможно без наукоемких технологий, нанотехнологии развиваются в последнее время особенно интенсивно.
От состояния машиностроения, станкостроения зависит развитие и других отраслей, а в конечном счете безопасность государства. В настоящее время передовые страны, такие как: Лидерами станкостроения являются Япония, ФРГ, США.
Физические основы развития нанотехнологий и границы их применения
Нанотехнология происходит от латинского слова nanus – «карлик» и буквально указывает на малый размер частиц. Изначально, в приставку «нано» ученые вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть. Например, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, или 0,000000001 м (10–9м). Частицы такого размера не видны в оптический микроскоп даже самого большого увеличения. Зарождение нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г., когда профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с лекцией на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. Фейман представил аудитории слушателей доклад, который был назван «На дне много места», в котором он выразил идею «управления и контроля материалов на микроскопическом уровне. По мнению профессора, достигнуть этого можно уменьшая обычные размеры в 25000 раз без потери разрешения. Ричард Фейман считал, что используя подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. «Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами свойства размерности, несмотря на то, что речь идет об атомном уровне».
Именно Фейман впервые обратил внимание на возможность создания микроскопических приборов, которые как хирурги могли бы проникать в наши тела, тем самым выполнять определенные задачи. Однако многие ученые восприняли идеи Ричарда как шутку, учитывая его знаменитое чувство юмора. Тем не менее, он предложил награду в 1000$ тому, кто первым уменьшит страницу к 1/25000ее первоначального размера так, чтобы ее можно было прочитать с помощью электронного микроскопа. Но уже в 1985 году выпускник Стэнфорда Том Ньюмэн, используя электронный луч, записал первую страницу «Истории двух городов» Чарльза Диккенса на кончике булавки. После опыта Ньюмэн отправил свои результаты Фейману и в течение двух недель получил обещанный чек от профессора. Современные ученые до сих пор удивляются, на сколько точны были предположения Ричарда Феймана. Он хотел подтолкнуть людей в нужном направлении, чтобы в будущем, оглядываясь на наше время, все удивлялись, почему только в1960 году кто-либо начал серьезно задумываться над этим вопросом.
Современные ученые характеризуют нанотехнологию, как набор технологий, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами. Использование особенностей веществ на расстояниях порядка нанометров, позволяет реализовать дополнительные, ранее не использованные возможности для создания технологических приемов, связанных с электроникой и другими областями науки. В мире научных открытий, получение новых материалов и развитие новых методик обещает произвести настоящую научно-техническую революцию в информационных технологиях, производстве конструкционных материалов, изготовлении фармацевтических препаратов. Например, классическим примером достижений нанотехнологии может быть разработка сканирующих туннельных микроскопов (СТМ). Впервые микроскоп данного типа был создан в лаборатории фирмы ИБМ Бихи и Роллером для исследования особенностей и неоднородностей поверхности монокристаллов кремния. В ходе опыта, экспериментатор подводит тончайший золотой щуп на расстояние около 1 микрона к поверхности исследуемого образца, в результате чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток, обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом, величина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой поверхности. После этого, замеряя величину туннельного тока или сохраняя ее постоянной, экспериментатор может «сканировать» поверхность и получать ее прямое «изображение», как электронный луч создает изображение, при этом сканируя поверхность экрана обычного телевизора. Этот метод позволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты. В процессе работы со сканирующим микроскопом, экспериментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития, а именно — стали проводить прямые технологические операции на атомном уровне. Ученые прикладывали к зонду СТМ соответствующее напряжение, которое можно использовать в качестве своеобразного атомного «резца» или гравировального инструмента. Впервые это удалось сделать сотрудникам Армаденской лаборатории ИБМ под руководством Д. Эйглера, которые сумели выложить на поверхности монокристалла никеля название своей фирмы (IBM) из 35 атомов ксенона. Данное открытие стало своеобразным рекордом в методах миниатюризации записи «текста». В 1991 году из этого выросла методика перемещения атомов ксенона, названная атомным переключением (atomic switch). Сегодня нанотехнологии окружают нас практически во всех сферах жизнедеятельности человека.
Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении, как в ведущей отрасли российского хозяйства
На сегодняшний день, нанотехнологии обещают целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей и станков. Практически каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован. Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие нанопокрытия для материалов, которые основаны на использовании диоксида кремния. В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, сплошной слой нано-размерных выступов. В силу нано-размерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема считаются безопасными для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев. На сегодняшний день, несколько зарубежных фирм уже выпускают подобные покрытия в промышленных масштабах. Например, на российском рынке их продукцию представляет эксклюзивный дистрибутор - компания Nanotechnology News Network. Компания Mercedes-Benz с конца 2003 года выпускает модели А, С, E, S, CL, SL, SLK покрытых новым поколением прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологии. По утверждению создателей, новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак. По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской. Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает требованиям Mercedes относительно устойчивости к воздействию химических элементов, находящихся в воздухе.
Также высокоэффективные антифрикционные и противоизносные нано-покрытия используют и для упрочнения поверхностного слоя работающих в двигателе деталей. [3]
Использование автомобилей с двигателями внутреннего сгорания часто вызывают недовольство у граждан, которые взволнованны загрязнением окружающей среды. Поэтому, инженеры компании Mercedes-Benz применили нанотехнологии для получения экологически чистого биотоплива. (рис. 1 «Mercedes-Benz BIOME»).
Рис. 1 «Mercedes-Benz Biome»
Проблемы и перспективы развития нанотехнологий в машиностроении
Первенство применения нанотехнологий в машиностроении и , в частности, в станкостроении, принадлежит ведущим странам-производителям автомобилей и станков. Например, в 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой, которая способствовала обеспечению лидерства США в сфере нанотехнологий среди иностранных конкурентов. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710,9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планируется выделить еще 3,7 млрд долл. Практически аналогичные программы были приняты Европейским союзом, Бразилией, Китаем, Японией и рядом других стран.
|
Первая десятка стран |
|
|
Производство металлорежущих станков |
Япония, ФРГ, США, Италия, Китай, Швейцария, Р. Корея, о. Тайвань, Испания, Франция |
|
Производство автомобилей(рис.2) |
США, Япония, ФРГ, Франция, р. Корея, Великобритания, Испания, Канада, Италия, Бразилия |
В нашей стране, по последним данным, предполагается что в 2020 году относительно уровня 2011 года более чем на 83 и 46% изменится среднегодовой темп роста продукции машиностроительного комплекса. По плану развития машиностроительного комплекса Российской Федерации, в период до 2020 года он составит 107%. Повышение конкурентоспособности продукции российского производства по отношению к импортным аналогам в совокупности с реализацией механизмов государственного регулирования рынка высокотехнологичных товаров должна привести в конечном итоге к интенсификации процессов импортозамещения. Развитие машиностроительного комплекса в период до 2030 года будет определяться основными параметрами научно-технического развития новых технологий, например, в части внедрения новых материалов, разработки и применения новых энергетических установок, изменения подходов к разработке и производству радиоэлектронной продукции.
На сегодняшний день, основные проблемы развития нанотехнологий в машиностроении России связаны со следующими факторами:
Недостаточное финансирование государства инновационных проектов в машиностроении
Ограниченное количество квалифицированных инженеров
Чрезмерное заимствование нанотехнологий в машиностроении у передовых стран данной отрасли, таких как Германия, США, Япония и других
Заключение
Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни. Для человечества развитие нанотехнологии-это единственная возможность, чтобы развивать науку не «сверху вниз», а «снизу-вверх», тем самым выращивать наноструктуры, наноматериалы, нано-объекты. Безусловно, современные нанотехнологии требуют больших объемов материалов различного характера. Таким образом, необходимо организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки. Также решение многих проблем нанотехнологий требует совместной работы ученых практически всех сфер науки от физиков до биологов. Кроме того, именно широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, что именно совместными усилиями человечество может добиться высочайшего развития нанотехнологий и сделать огромное количество научных открытий. В первую очередь это формирует будущее нашей планеты, в котором технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы являются одним целым и взаимосвязаны друг с другом.
Список использованных источников:
Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований/под ред М.Роко, перевод с англ. Под ред. Р.А. Андриевского.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию ( пер. с яп. Под ред. Л.Н. Патрикеева, М. Бином. Лаборатория знаний 2005
Рогов В.А., Поздняк Г.Г. Современные машиностроительные материалы и заготовки
Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., 2005.
Лекция «Что скрывается за приставкой нано» Дроздов А.А., Еремин him.1september.ru
Gossmi.ru