Лекционный курс «Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли»

1

Лекционный курс«Физические основы нанотехнологий и их

применение в нефтегазовой отрасли»

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.

2

Что такое НАНО ?Греч. « » - «гном, карлик». 1 нм = 10-9 м

3

Размерные эффекты( частицы золота )

4

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, построенныена основе нанообъектов

5

6

Характерные размеры в нанометрахХарактерные размеры в нанометрах

Молекулы ДНК 10 нм

Вирусы 100 нм

Бактерии 1 000 нм

Амёбы 10 000 нм

Пыльца растений 100 000 нм

Нематоды 1 000 000 нм

Насекомые 10 000 000 нм

Мелкие млекопитающие 100 000 000 нм

Крупные млекопитающие 1 000 000 000 нм

Простые молекулы 1 нмНАНООБЪЕКТЫ

7

Сопоставление масштабовСопоставление масштабов

Клетки

Микробы

ВирусыАтомы Молекулы Нанообъекты

Масштабы микромира

8

9

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.

Определение нанотехнологий(современная Российская версия)

Журнал Российские Нанотехнологии, 2010 г., т.5, №7-8, с.8-16.

10

11

ТЫСЯЧЕЛЕТНЯЯ

ИСТОРИЯ

НАНОТЕХНОЛОГИЙ

12

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.

Примеры из тысячелетней истории нанотехнологийПримеры из тысячелетней истории нанотехнологий

13


“Кубок Ликурга” изготовлен римлянами

до 640 г.

Кубок меняет цвет при освещении изнутри. Этот эффект создают наночастицы золота и серебра.

14

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 )

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....

Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий

Примеры из тысячелетней истории нанотехнологий

31

... the Oil tho' not more than a Tea Spoonful ...

... perhaps half an Acre

Какова была толщина пленки масла ?

Объем = (Площадь)х(Толщина)

Численная оценка показывает, что толщина 1 нм – одиночный слой молекул

Такие пленки называют монослойными (лэнгмюровскими)

~1 нм

32

….не более чайной ложки масла….….примерно, половину акра (0,2 гектара)…

17

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.


18

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.


НАНОКОЛЛОИДЫ

19

Основные этапы современной истории

Фейнман – Танигучи - Дрекслер

20

ФОРМУЛИРОВАНИЕ ИДЕИ.

«ДЕДУШКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

© H. Schroeder Loughborough University 1998 Lecture 1.21

«Типичныйгений»

«Типичныйгений»

Эксцентричный

Ричард Фейнман

( Richard Feynman )

1918 - 1988

22

Детство / Обучение 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

23

Проект «Манхэттен»Проект «Манхэттен»

• После атомной бомбардировки, надолго впал в депрессию– Считал, что бессмысленно работать на будущее,

так как мир в конце концов будет разрушен

• Работал в Лос Аламосе

• Руководил группой «людей-компьютеров»

• В свободное время занимался взламыванием замков, играл на барабанах

24

Преподавание 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

25

Лекции Фейнмана, записанные вначалена 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 заразитьчитателей интересом к науке.

26

Создание квантовой электродинамикиСоздание 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»

27

«Дедушка нанотехнологий»«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

28

… Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и можетнайти множество ценных технических применений. Речь идет о проблеме контроля и управления строением вещества в интервалеочень 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.

29


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 кубесо стороной 1/64 дюйма (0.4 mm)

2) «Разместить Британскую Энциклопедию на булавочной головке», то есть, записать текст шрифтом, уменьшеннымв 25 000 раз.

30


Уже менее чем через год, первую премию Фейнманаполучил физик МакЛеллан (McLellan) из Университета Калифорнии.Работая во время обеденных перерывов, и используя обычныймикроскоп, инструменты часовщика и зубочистки, за 2,5месяца он собрал электромотор из 13 частей, массой 250 микрограмм и со скоростью вращения 2000 об/мин.

Крылокомара

31


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 ВашРичард Фейнман

32


В 1985 году вторую премиюполучил Томас Ньюман(Thomas Newman) изУниверситета Стэнфордаза требовавшеесяуменьшение размеровпечатного шрифта.

Первая страница романаЧ. Диккенса

«Повесть о двух городах»(A Tale of Two Cities)

(запись электроннымпучком)

33

«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

D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990).


5 нмАтомы

Xe

34

ПОЯВЛЕНИЕ ТЕРМИНА

«НАНОТЕХНОЛОГИЯ»

35

Норио Танигучи ( Norio Taniguchi )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.

36

Широкаяобщественная популяризация

возможных практических приложений

«ОТЕЦ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

37

Эрик Дрекслер ( Eric Drexler ), 1955 г.р.Эрик Дрекслер ( Eric Drexler ), 1955 г.р.

• (1986) – Книга «Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology» ( «Машины создания : грядущая эра нанотехнологии» )

38

В 1991 году Эрик Дрекслер

защитил первую в истории

диссертацию (PhD),

по нанотехнологиям

«Отец нанотехнологий»«Отец нанотехнологий»

39

• 1986 год - Эрик Дрекслер – основатель и председатель американского Института Предвидения и Формирования Будущего (Foresight Institute)

«Отец нанотехнологий»«Отец нанотехнологий»

40

ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ПРОГРАММЫ

РАЗВИТИЯНАНОТЕХНОЛОГИЙ

41

С Ш А

42

ФУЛЛЕРЕН обнаружен осенью 1985 г.

СТИМУЛЫ

43

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИобнаружены в 1991 г.

Японский ученыйПрофессор

Sumio Iijima

СТИМУЛЫ

44

В 1999 году Президент Клинтон

объявляет программу «Национальная

Нанотехнологическая Инициатива»

(NNI)

РЕАКЦИЯ

45

Национальная программа нанотехнологийБелый Дом – ноябрь 2003

Национальная программа нанотехнологийБелый Дом – ноябрь 2003

46

National Science and Technology Council (NSTC) Committee on Technology

The Interagency Working Group on NanoScience, Engineering and Technology (IWGN)

Администрация Президента США

Государственный Совет по Науке и ТехнологиямКомитет по Нанонауке, Нанотехнике и Нанотехнологии

47

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)

48

КОНЕЦ

ЛЕКЦИИ

Documents

Лекционный курс «Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли»