СОЗДАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ Плескачевский Ю.М., Шилько С.В.

СОЗДАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ
НА ПРИНЦИПЕ ПОДВИЖНОСТИ МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦ
Плескачевский Ю.М., Шилько С.В.
Поликом-2007 + Белтриб-2007
16-21 июля 2007, Гомель, Беларусь
Систематика материалов по основным признакам
Функциональное
развитие
монофункциональный
Активность
пассивный
Степень
интеллекта
Качество
функционирования
тривиальный
материал
интеллектуальный
материал-изделие
активный
полифункциональный
адаптивный
умный
материал-устройство
материал-система
Линия поведения
• предсказуемый
материал (пассивное
разрушение)
• неопределенный
материал
(непредсказуемое
бифуркационное
разрушение)
• материал-эгоист
(заторможенное
разрушение при
самосохранении
функции)
• материалприспособленец
(заторможенное
разрушение за счет
адаптивной реакции)
• материал-камикадзе
(программируемое
саморазрушение)
мудрый
(экофильный)
материал-среда
• материал-регенерат
(восстановление за
счет самоорганизации)
• материал-кибер
(заторможенное
разрушение за счет
обратной связи)
Новые идеи в материаловедении:
фундаментальные основы
Классические принципы
материаловедения
аддитивность
+
Характеристики объектов
живой природы
композитность
синергизм
самоорганизация
структура-свойство
…….
…….
подвижные границы
обратная связь
…….
=
Новые
идеи
Характеристики объектов живой природы
(по Д. Медоу)
использование композитов;
уровни структурной организации;
мягкие, гибкие компоненты;
самосборка, самоорганизация, самоумножение (репликация) на основе
слабых связей;
 использование шаблона – матрицы для построения нового объекта;
 деление.




+ дополнительные характеристики,
потенциально полезные для материаловедения
(по Ю. Плескачевскому, С. Шилько)
 подвижные межфазные границы;
 переменные по объему характеристики (модуль упругости и т.д.);
 самозалечивание;
 реверсивность;
 регенерация;
 резервирование функциональных блоков;
 самодиагностика;
 принцип обратной связи.
Новые идеи в материаловедении: развитие
Подвижные межфазные границы
Переменные по объему характеристики
Принцип локального качества
Активные материалы
Адаптивные материалы
Минкусы
Принцип обратной связи
Реверсивность свойств
Самодиагностика, самоорганизация,
самозалечевание, регенерация
Ауксетики
Метаматериалы
Умные материалы
+
 Одиночные молекулы
 Моноэлементные полимеры
 Фуллеренсодержащие полимеры
 Наноструктуры, наноизделия, наносистемы
Систематика материалов
РЕВЕРСИВНО
АДАПТИВНЫЙ
АКТИВНЫЙУМНЫЙ
&&РЕВЕРСИВНО
АДАПТИВНЫЙ
ПАССИВНЫЙ
АКТИВНЫЙ
R
R
R R1 (сенсор) R5 (актуатор)
RR
R1R
11 3R42 5
1
R2s
R1
R3s
R1
s
R
Функциональный
аспект
ss
Es
3s
R3s
s
s
E
t R 80%
t R 90%R (процессор)
tt,t,, st, s
4
t R 70%
2sE
R1 для ауксетика,
метаматериала
R
s
Кибернетический
аспект
Поведение
sss
сенсор
процессор
R1 t,s
актуатор
R4
R5
R3 связь
обратная
R5
R1 t,s
R1 t,s
R1 t,s
R2
d
dR5
Активность внутрь
себя + ко
по отношению
Активность
внутрь
и
вне себя
+
Пассивное
разрушение
заторможенное
разрушение
запосчет
внешней
среде
+
пассивное
существенно
заторможенное
Аррениусу,
Журкову, …
местного
самоупрочнения,
разрушение
разрушение
за счет обратной
регенерации, подвижности
связи
межфазных границ
Активные полимерные материалы
ФОРМА
МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА СОПРЯЖЕННЫЕ СРЕДЫ
 блочные
 пленочные
 волокнистые
 дисперсные системы
 растворы
СТРУКТУРА
 функционализированные
полиолефины
 надмолекулярно
образованные высокомолекулярные соединения
композиционные
материалы
растворы
ХИМИЧЕСКИ
И БИОХИМИЧЕСКИ
АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
инициируют химические воздействия,
с помощью которых диагностируют и
влияют на химический состав и
свойства сопряженных сред и
объектов
МАТЕРИАЛЫ,
ГЕНЕРИРУЮЩИЕ И
ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И
ИЗЛУЧЕНИЯ
являются источником физических
полей и излучений либо
взаимодействуют с внешними полями
и излучениями, существенно изменяя
их параметры или преобразуя в
другие виды воздействий
БИОЛОГИЧЕСКИ
АКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
cлужат носителями клеток микро- и
макроорганизмов и выступают как
источники биологических
воздействий
Активные реверсивные материалы
Пример: светорегулируемые аморфные и гребнеобразные
мезокристаллические сополимеры, образующие нематическую
холестерическую мезофазу со спиральной супрамолекулярной
структурой
Приложения: цветная обратимая и необратимая запись
информации (оптика, голография, оптоэлектроника,
фотоуправляемые реверсивные системы)
Активные реверсивные светоуправляемые
жидкокристаллические полимеры
Схематическое представление молекулярной
структуры различных типов фотоадресуемых
гребнеобразных сополимеров
Схема, демонстрирующая реверсивное изменение
формы фотохромных боковых групп в ходе
процесса транс-цис-изомеризации,
индуцированной воздействием света
Принципиальные схемы записи (слева) и
считывания оптической информации (справа)
на планарно-ориентированной пленке
фотохромного холестерического сополимера
 Для способной к самомаскировке военной техники
 Эффект мерцания или движения
 Вариант стелс-технологии
АДАПТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Принцип локализации подвижных границ
Гипотеза



~ ~
S  S(E, f, s, P)
~
S E
~
S extr E, s
Научная идея
Локализация
~
S (K(P))  A
Подвижная граница
K = K(E, f, s)
Фактор
внешнего
воздействия
Объемные
свойства
P
E,s
f,s
Границы
~
S
Адаптивность A(Р)
Поверхностные
свойства
УСЛОВИЯ
ОСОБЕННОСТИ
ЗАДАЧ
переходный процесс 
трение, адгезия
критерий min max
принцип возм.
перемещений
уравнения состояния s()
линейная
упругость
геометрия тел (фаз){Х}
плоская
деформация
нагрузка N(t), T(t)
сжатие, сдвиг
Движущая сила автолокализации
межфазных границ
 Упругое последействие
 Мультимодульность
 Реверсивность
 Отрицательный коэффициент Пуассона
 Нулевой и отрицательный КТР
 …………..
Принципы автолокализации межфазных границ
Конфигурация межфазных границ
оказывает существенное влияние на
физико-механические характеристики
материала
Самоорганизация на микроуровне структуры
обеспечивает автоматическую локализацию
подвижных межфазных границ и
определенные значения физикомеханических характеристик материала в
точках бифуркации
**********************
**********************
В условиях нелинейного поведения
структурно-неоднородной среды форма
межфазных границ зависит от внешнего
воздействия
Целесообразная реакция материала на
внешнее воздействие обусловлена
критерием оптимальности, который
определяет разработчик путем задания
параметров точек бифуркации
Min! Max!
Вариационная формулировка
Энергетические принципы:
• возможных перемещений
 X i δu i dV +  X i δu i dS   σ ij δε ij dV
V
V
S
Вариационное неравенство
Найти u  V такое, что
  j u   f,напряженного
a•u,
υ - u  + j υизменений
υ - u  +  FN υ N состояния
 uN  dS
возможных
S
F
+  δX u dS ,S
δ R= S (, p)
 δX i u i dV
Управление
i i
V
S
• минимума полной энергии Э = 0
где Э = П -оптимизации
А - полная энергия системы
Задача
R   RdV - дополнительная работа
w  ε w  dw
a w,w   V a
ε
i
j
k
l
k
l
i j
W
σ 02 σ u
Lw +  ε Fdσw ds j w     pγ x,w  w  u  ds
T
T
2K 0 i i
S
F

S
c


σ 02
 + j w 
J u   min
max max энергия
0,5 a изменения
w, w   L wобъема
- удельная
потенциальная
2K
w K p  0 τ  f p
Примеры адаптивных систем (конструкций и
материалов) с подвижными границами
Фрикционное
взаимодействие
Сопряжение
Скольжение
(шлифование)
2
1
Процесс
Межфазное
взаимодействие
Объект
Мезоэлемент
БИОСИСТЕМЫ
Зубочелюстная
МАТЕРИАЛЫ
Пены
Опорно-двигательная
Перфорированные
3
2
1
3
Качение
(зубчатые передачи)
Гранулированные
Сдвиг (соединения)
Кровообращения
Авторегуляция артериального кровотока
Модель процессаРегуляризация
в терминах подвижных границ
p12
L
J 1 (d)   [d * (x)  d (x)] 2 dx
20
1
3
L
4
J 3 (d)  α  [d' (x) ] dx
0
p45
J 2 (d)  1 [  S(t) v (t) d t  Q ] 2
ε
5
2
p23 Т p34
1
2
σ
0
3
4
5
min d {J 1 (d) + J 2 (d) + J 3 (d)}
аналог артериолы:
ν12
ν23
ν34
х
ν45
двухслойная оболочка из физически нелинейного анизотропного материала
Источники
Критерий
Регулируемый
Управляющий
с начальными напряжениями
оптимальности
параметр
параметр
возмущения
N=0
d(диаметр)
составЕкрови,
объем
кровотока
просвет
тонус
сосуда
s
Е
E

,


N>0
, z, r, rz
z , r
σ
нагрузка,
температура,
деградация
тканей
L
T
d
0
N > 0, s > 0
сосуда d
в норме Q
S(x, t)v(x, t)dt  Q
Q K
p0
pd
p  p0  d  0
4
p  p0  d  0
νl
p,
100
200
мм рт. ст.
Адаптивный клапан сердца
патент РФ
№ 2279865
(2006)
Доклинический
эксперимент
Гемодинамические характеристики модифицированного
протеза (частота пульсаций 100 уд/мин)
Положение датчика
Пиковая
скорость
м/с
Пиковый
градиент
мм рт ст
Средняя
скорость
м/с
Средний
градиент
мм рт ст
Время
полуспад
а
мс
Перпендикулярно
потоку
Ротабельный ИКС
2,3±0,41
21,2±4,6
1,03±0,41
19,3±4,3
224±38,7
45 градусов
Ротабельный ИКС
2,19±0,49
19,3±5,8
0,94±0,24
19,1±3,7
218±24,3
Параллельно потоку
Ротабельный ИКС
2,14±047
18,3±4,3
0,9±0,41
18,3±2,9
214±18,4
Перпендикулярно
потоку
Стандартный ИКС
2,3±0,41
21,2±4,6
1,03±0,41
19,3±4,3
224±38,7
Проявления реверсивной адаптивности
на уровне макромолекул
РЕГУЛИРУЕМАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ
ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОНФОРМАЦИИ ПОЛИМЕРА
1 — растворенное вещество; 2 — полимер в развернутой
конформации; 3 — полимер в компактной конформации
Автолокализация трещин
Объемное разрушение
Исходная конфигурация монослоя
Микросферная аналогия
Инициализация дефекта
F

Формирование зоны разрушения
s
г
F
р
Автолокализация дефекта
Востановление сплошности
Восстановление исходной
конфигурации монослоя
F
г
p
Адаптивные материалы: адаптация к разрушению
«Обычный» материал
Адаптивный материал
Автолокализация трещин
Линейные
трещины
10 2 
k = 2; B-1 = 2 10 


Ветвление
трещин
 = 4; l0 = 1;
100 20 

1 = 2,5; 2 = 3; 3 = 3,5; k = 2; B-1 = 
20 100 

4 = 4,5;
b11 = b22 = 4; b12 = b21 = 1
100 20 
k = 0,2; B-1 =  20 100 


 = 5;
1 = 0; 2 = 2; 3 =4 =5 = 1;
ij = 4; qij =0,1 для всех i, j;
b11 = b22 = 8; b12 = b21 = 2
Рост и самозалечивание трещин
Адаптивные строительные конструкции
Схемы расположения дополнительных затяжек
1
3
Уравнения колебаний стержней рамы
2
Ei I i
d 4 yi
dxi4
+ i Ai
d 2 yi
dt 2
0
yi  C1i sin  i x + C2i cos  i x + C3i sh  i x + C4i ch  i x
 i Ai p 2
i 
Ei I i
2
d u5
d 2u5
E5 A5
+

A
0
5 5
dx52
dt 2
u5  C15 sin  5 x + C25 cos  5 x

5  p 5
E5
4
1, 2, 3 - затяжки
Зависимость частот колебаний рамы от площадей поперечного сечения затяжек
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
D, мм
30
12
б
расширение диапазона и
нерезонансной работы
а
расширение диапазона и
нерезонансной работы
12
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
D, мм
а) при наличии затяжек 1,2;
б) при наличии затяжек 1, 3
Применение адаптирующих затяжек позволяет обеспечить нерезонансную работу.
30
МУЛЬТИМОДУЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
(МИНКУСЫ)
«Мультимодульность (Multiple
elasticities) – квантованное и/или
непрерывное распределение
значений модулей упругости
Тензочувствительные «минкусы»:
адаптация к нагрузке
«Обычный» материал
Внешнее силовое
воздействие
«Минкус»
по Дж. Беллу
s, ГПа
200
150
E=200,9 ГПа
E=113,7 ГПа
100
• железо,
• цинк,
• алюминий,
• магний,
• медь
• латунь,
• никель
E = const
Тензочувствительность
+
Квантованное
распределение
значений модуля
упругости
железо
50
0
0
0,4
0,8
 *10-3
Фазы с различными
модулями упругости
E = var
Динамически
оптимальная структура
Адаптация минкуса к контактной нагрузке
(действие прямоугольного штампа)
исходное
Кратность снижения концентрации
напряжений и проскальзывания
Напряженное
Эффект адаптации
состояние:
промежуточное
конечное
Эквивалентные
(по Мизесу)
напряжения
Контактные
давления
р, Па s, экв
Касательные
контактные
напряжения
Па, Па
Эквивалентные
напряжения
12
10
8
6
Проскальзывание
4
2
0
Контактные
давления
Касательные
контактные
напряжения
Структурные уровни умного материала
Радиационные технологии, радиационномодифицированные материалы и изделия
Разработка бортовых
проводов с радиационномодифицированной
изоляцией для авиационной
техники, термоусаживаемых
пленок, трубок и фасонных
изделий из радиационносшитых полимеров
Дозиметрический параметр
Разработка технологий, оборудования и дозиметрического обеспечения радиационно-химических
процессов, основанных на использовании промышленных ускорителей электронов
ПОЛИМЕРНЫЕ ДОЗИМЕТРЫ
ДПЭ - 50 / 2000
ДПЭ - 10 / 200
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
500
1000
1500
Поглощенная доза, кГр
2000
Активные и адаптивные материалы,
эффективные при создании МЭМС
 NiTi cплавы,
 пермаллой,
 кварц,
 окись цинка,
 пьезокерамика,
 полимерные гели,
 материалы группы А3В5,
 материалы группы А4В6,
в которых реализуются:
 явления:
электростатические,
электромеханические,
пьезоэлектрические,
магнитные;
 эффект памяти формы,
как элементы адаптивных систем:
• сенсоры,
• актуаторы,
• механизмы передачи движения.
ИНВЕРТИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Ауксетики: область поиска
Возможность существования изотропных материалов с ν < 0 подтверждается
известным соотношением теории упругости [1]
ν  ( 3 K  2 μ ) /( 6 K + 2 μ )
где , К – положительно определенные модули сдвига и объемной деформации.
Выражение описывает допустимый интервал значений коэффициента Пуассона.
Отрицательные значения ν соответствует условию  > 3/2К, когда модуль сдвига
превышает модуль объемной деформации более, чем на 50%. Верхний предел
соответствует несжимаемым материалам типа резины, сохраняющим свой объем при
значительном изменении формы, нижний – материалам, сохраняющим геометрические
пропорции, но изменяющим объем при деформации.
Пороматериалы, демонстрирующие ν < 0, являются предметом активных
исследований, (см. русскоязычный аналитический обзор [1]).
Конечноэлементный анализ контактного деформирования ауксетичных
материалов нами выполнен в предположении, что пороматериал является непрерывной
средой, причем в процессе деформирования изменение структуры не учитывалось и,
соответственно, коэффициент Пуассона считали постоянной величиной ν = const < 0.
Была показана возможность реализации адаптивного режима трения в виде эффекта
самостопорения ауксетичных материалов, что выражается в повышении несущей
способности фрикционного соединения при увеличении сдвигающей нагрузки.
1. Конек Д.А., Войцеховский К.В., Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Материалы с отрицательным
коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композ. матер. и констр.– 2004.– Т.10, №1. С. 35–69.
Ауксетики
К ауксетичным относятся материалы природного и искусственного происхождения,
проявляющие отрицательный коэффициент Пуассона ν. В частности, при одноосном
напряженном
состоянии,
ауксетики,
в
отличие
от
обычных
материалов,
расширяются/сужаются
в
направлении,
перпендикулярном
направлению
растяжения/сжатия соответственно.
Моды деформирования при растяжении:
а – обычный пороматериал, б – ауксетичный пороматериал
а
б
Источник: Конек Д.А., Войцеховский К.В., Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Материалы с
отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композ. матер. и констр.– 2004.–
Т.10, №1. С. 35–69.
Формирование ауксетичного пороматериала
Представительный объем
Мезофрагмент структуры
Исходный
материал
Трехосное
сжатие
Нагрев
Охлаждение
Разгрузка
Ауксетик
Ауксетики: эффект самостопорения
Отрицательный
коэффициент
Пуассона
• Высокая ударная вязкость
• Высокая контактная жесткость
• Эффект самостопорения
Схема контакта
Несущая способность
соединения
y
T
lim
60
, кН/м
f=0,1
сцепление
Sa
скольжение
Ss
f=0,2
40
f=0,3
x
E, 
f=0,4
f=0,5
T(t)
20
v
0
n0
-0,6
-0,3
Отрицательные
значения
0
0,3
0,6
Положительные
значения
КЭ модель контактного сжатия пороматериала
Моды деформации мезофрагмента с квадратными ячейками
Перемещения Ux
Перемещения Uy
КЭ модель контактного сжатия пороматериала
Расчетные значения коэффициента Пуассона
Уровень
сжатия
1(верх)
1
Л
-0,0254
-0,0247
-0,0257
П
0,0275
0,0271
Л
-0,0691
П
2
3
4*
5
6
7
2
3
uy,
Среднее
ux, мкм
мкм
-0,0260
-0,02545
1,4
0,0256
0,0271
0,026825
1,4
-0,0675
-0,0677
-0,0658
-0,0675
2,8
0,0606
0,0597
0,0595
0,0654
0,0613
2,8
Л
-0,248
-0,243
-0,253
-0,250
-0,2485
7,0
П
0,265
0,265
0,251
0,262
0,26075
7,0
Л
4,461
2,868
1,453
-0,252
2,1325
14,0
П
6,090
4,477
3,052
1,379
3,7495
14,0
Л
-1,641
-1,634
-1,615
-1,633
-1,63075
21,0
П
1,613
1,619
1,619
1,621
1,61800
21,0
Л
-2,677
-2,678
-2,667
-2,674
-2,6740
28,0
П
2,656
2,677
2,658
2,663
2,6635
28,0
Л
-4,976
-5,291
-5,37
-5,123
-5,1900
42,0
П
5,129
5,506
5,43
5,153
5,3045
42,0
* - потеря устойчивости упругого пороматериала
4(низ)
v
-0,040
-0,054
-0,085
-0,490
-0,180
-0,222
-0,291
л – левый край , п – правый край
КЭ модель контактного сжатия пороматериала
Зависимость коэффициента Пуассона ν от степени деформации
0
0
2
4
6
8
Степень
деформации
-0,1
обычный
пороматериал
-0,2
-0,3
ауксетик с ячейками
вогнутой формы
 = 600
-0,4
-0,5
решение отсутствует
ν
Материалы с нулевым и отрицательным КТР
Мезоконструкции
а – слоистая система; б – шахматная;
в – матричная с дисковым наполнителем; г – пористая
а
в
б
г
Коэффициент термического расширения слоистой
ауксетичной системы
Зависимость термических перемещений
от коэффициента термического расширения
3.00E-02
перемещение
2.00E-02
1.00E-02
-1.50E04
-1.00E04
0.00E+00
-5.00E0.00E+0
-1.00E-02
05
0
5.00E-05
1.00E-04
-2.00E-02
-3.00E-02
коэффициент термического расширения
1.50E-04
Коэффициент термического расширения слоистой
ауксетичной системы
1.00E-02
3.00E-02
5.00E-03
2.50E-02
0.00E+00
2.00E-02
-1.20E- -1.00E- -6.00E- -4.00E- -2.00E- 0.00E+0 2.00E-5.00E-03
8.00E04
04
05
05
05
05
0
05
-1.00E-02
-1.50E-02
-2.00E-02
-2.50E-02
коэффициент термического расширения
Отрицательная область
сум перемещение
сум перемещение
Суммарное перемещение слоев в зависимости
от коэффициента термического расширения
1.50E-02
1.00E-02
5.00E-03
0.00E+00
-2.00E- 0.00E+0 2.00E- 4.00E- 6.00E- 8.00E- 1.00E- 1.20E-5.00E-03
05
0
05
05
05
05
04
04
коэффициент термического расширения
Положительная область
Метаматериалы
В среде с отрицательным показателем преломления свет (и все другие виды
электромагнитного излучения) ведет себя не так, как в обычных материалах с положительным
преломлением, причем во многих отношениях это поведение противоречит интуиции.
Среда с положительным
показателем преломления
Карандаш в воде кажется
изогнутым из-за более высокого
показателя преломления воды
Когда свет переходит из среды с
низким
показателем
преломления (n) в среду с более
высоким, он отклоняется в
сторону нормали (пунктирная
линия под прямым углом к
поверхности раздела)
Среда с отрицательным
показателем преломления
Карандаш, погруженный в
среду
с
отрицательным
преломлением, будет казаться
изогнутым наружу
Когда свет идет из среды с
положительным преломлением
в среду с отрицательным, он
отклоняется назад, оставаясь
по ту же сторону нормали, что и
падающий свет
Удаляющийся объект кажется
более красным из-за эффекта
Доплера
Удаляющийся объект кажется
более синим
Заряженный объект (красный) ,
движущийся быстрее скорости
света,
создает
конус
Черенковского
излучения
(желтый), направленный вперед
Конус обращен назад
В среде с положительным
показателем
преломления
отдельные
максимумы
электромагнитного
импульса
(фиолетовый) движутся в том же
направлении, что и огибающая
(зеленая) импульса и энергия
(синяя)
Отдельные всплески движутся в
сторону,
противоположную
движению огибающей импульса
и энергии
Метаматериалы
Опал – природный материал.
Микроскопические шарики
кристобаллита придают ему
уникальные оптические свойства.
Пятидюймовый «плащ-невидимка»,
представленный учеными из
университета Дьюка, совершенно
непохож на плащ и невидим лишь
для микроволн.
Метаматериалы
Как это работает?
1. Покрывающий предмет метаматериал,
представляющий собой гибрид
проводника и диэлектрика, действует
как ускоритель для попадающих внутрь
него квантов света
2. Свет падает на оболочку из
метаматериала. Но он не преломляется
за пределы оболочки, а проходит
внутри нее, огибая предмет вокруг.
3. Свет покидает оболочку в том же самом
направлении, словно никакого предмета
не было, так что скрытый предмет
остается невидимым.
Метаматериалы
Будет ли создан «плащ-невидимка»?
Одиночные молекулы
Новые горизонты химии и технологии (по А.Л. Бучаченко)
На рубеже XX и XXI веков в химии и молекулярной физике произошел
прорыв в экспериментальной технике обнаружения и распознавания
одиночных молекул и в технологии манипулирования ими.
1. С детектированием одиночной молекулы
обнаружения в аналитической химии.
достигается
предел
2. Удается установить индивидуальные, «личные» свойства единичной
молекулы, не усредненные и не «спрятанные» в их ансамбле.
3. Появилась возможность наблюдать, как функционирует одиночная
молекула.
4. Появившиеся
технологии
манипулирования
одиночными
молекулами (их перемещением и соединением, внедрением и
объединением в заданные молекулярные ансамбли) позволяют
создавать элементы наноэлектроники, наномеханики, нанооптики –
т.е., служат основой будущих высоких технологий в реальной
экономике.
Источник: Бучаченко А.Л. Новые горизонты химии: одиночные молекулы. Успехи химии, 2006, т.
75, № 1, с. 3–26.
Моноэлементные полимеры (по А.Ю. Шаулову)
Моноэлементные полимеры (1 – Е1) – класс неорганических
высокомолекулярных соединений, макромолекулы которых состоят из
ковалентно связанных между собой однотипных химических элементов,
способных образовывать цепи различной структуры:
ЛИНЕЙНЫЕ
(1D)-C1D
Карбин
Кумулены
Sn
Sen
Ten
(P4)n
Линейная изотропия,
планарная и объемная
анизотропия
ПЛАНАРНЫЕ
(2D) – C2D – графит
Pn (черный фосфор)
Asn
Sbn
Bin
Планарная изотропия,
объемная (1)
анизотропия
ТРЕХМЕРНЫЕ
(3D) – C3D – алмаз
Bn
Sin
Gen
Объемная изотропия
Источник: Шаулов А.Ю. Моноэлементные полимеры. Структура и свойства. ВМС, 5, 2006, т. 48,
№ 11, с. 2063–2080.
Фуллеренсодержащие полимеры
Структура
полифуллеренов
Структура
фуллеренсодержащих
полимеров
Могут проявлять свойства органических ферромагнетиков, сверхпроводников, электродных
материалов, нелинейные оптические и другие поведения для техники XXI века свойства.
полимеры типа “браслет с
подвесками”
линейная орторомбическая
звездообразные
полимеры
двумерная
тетрагональная
полимеры типа
“жемчужное ожерелье”
ромбоэдрическая
Структурные типы наноразмерных объектов
и их геометрические параметры
Русский термин
Английский термин
Описание*
Нанотрубки
Nanotubes
Трубчатые структуры с внешним диаметром до 100 нм, L<1 мкм
Нанопрутики
Nanoroads
Квазиодномерные цилиндрические структуры, D<100 нм, L<1 мкм
Нанопроволока
Nanowire
То же, D<100 нм, L<1 мкм
Нановолокна
Nanofibers
Нити, D≤50 нм, L>1 мкм
Наночастицы
Nanoparticles
Компактные частицы, D<10 нм
Нанопорошок
Nanopowder
То же, D<100 нм
Наноразмерные
кристаллиты
Nanotods
Кристаллиты размером до 100 нм
Наноусы
Nanowhiskers
Структуры в виде игл длиной несколько мкм и толщиной в основании
< 100 нм
Наноленты
Nanoribbons
Структура в виде плоских лени толщиной до 100 нм и шириной
больше толщины
Наностолбики
Nanocolumns
Наноструктуры с D≤100 нм, L>D
Нанокабель
Nanocable
Структура с морфологией коаксиального кабеля, D≤100 нм
Наномосты
Nanobridges
Структуры с морфологией, подобной конструкциям мостов, длиной
десятки мкм и диаметром отдельных «деталей» до 100 нм
Наногвозди
Nanonails
Структура в виде гвоздей, D≤100 нм
Нанороторы
4(6)-Fold nanorotors
Наноструктуры в виде ротора с 4(6) лопастями, диаметр
составляющих до 100 нм
Тетраэдрическая
Т-наноструктура
Tetrapod nanostructure
Наноструктура из четырех нанопрутиков (D≤100 нм) с общим центром
Нанокомпозит
Nanocomposite
Материал из частиц различных веществ размерами до 100 нм
Нанопроволоки, формируемые в трековых мембранах
4. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Сu-РЕПЛИКИ
1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ Сu В ПОРАХ МЕМБРАНЫ
Патент 7373 BY
емкость с
электролитом
блок
переполюсовки
электролит
металлический
цилиндр
0,2 мкм
уплотнительное
кольцо
трековая мембрана
Сu-фольга
подложка (катод)
корпус
разряжение
сборник электролита
2. ДЕСТРУКЦИЯ МЕМБРАНЫ ОБЛУЧЕНИЕМ НА ВОЗДУХЕ
γ
(0,5 – 3 Гр/с)
ПАРАМЕТРЫ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОЛОК
Параметр
Величина
Диаметр проволоки, мкм
0,014 – 5,000
3. РАСТВОРЕНИЕ МЕМБРАНЫ В РАСТВОРИТЕЛЕ
Длина проволоки, мкм
Плотность, см-2
Модуль Юнга, Па
Грант БРФФИ–РФФИ №Т04Р-066
5 – 40
100 - 108
2·1010 - 12·1010
Наноизделие
Нанозапчасть
Если приглядеться, это самая
обычная коробка передач – только
состоящая всего из нескольких сотен
атомов. Такое устройство еще не
создано, но его автор Эрик Дрекслер
просчитал его на компьютерной
модели и убедился, что оно может
существовать и работать – если
только каким-то образом соединить
нужные атомы в нужном порядке.
Наносистема
«Самая маленькая в мире повозка» с
колесами-фуллеренами, созданная в
университете РАЙС (Нью-Йорк), способна
перемещаться по поверхности кристалла за
счет его собственной теплоты. В макромире это
было бы нарушением второго закона
термодинамики
Фуллерен – полный жесткий
многогранник из 60 атомов углерода. За
открытие этой молекулы Ричард Смолли
получил Нобелевскую премию 1996 года.
Заключение
На рубеже XX – XXI веков в материаловедении наметились
прорывные направления в создании новых и существенном
развитии традиционных принципов формирования активных,
адаптивных и умных материалов и систем.
Основу подобных принципов составляют аналогии в
функционировании и развитии природных и технических систем в
сочетании с новейшими фундаментальными достижениями
смежных наук – физики, химии, биологии, механики и дополненные
возможностями компьютерного моделирования и микросистемной
техники эксперимента.
Именно здесь находится и в ближайшие десятилетия будет
лежать «высокоурожайное поле» научного поиска материаловедов
мира.
Благодарности
Коллеги из ИММС НАН Беларуси
Пинчук Л.С.
Селькин В.П.
Хиженок В.Ф.
Петроковец Е.М.
Гракович Р.И.
Ходько Н.Т.
Коллеги из других организаций
Бучаченко А.Л. Макаева Т.А.
Шаулов А.Ю.
Литвиненко Е.В.
Козловский Б.
Куземкина Г.М.
Шимановский А.О.
СПАСИБО
ЗА АДАПТИВНОЕ
ВНИМАНИЕ
и мультимодульное терпение!
Основная проблема общественного производства
Беларуси
Конкурентоспособность продукции на мировом рынке
Некоторые определяющие факторы
современные энерго- и ресурсосберегающие технологии
адекватная степень автоматизации процессов
уровень использования новых материалов
концепция жизненного цикла продукции
реклама, маркетинг, сервис, авторские права, таможенная
политика...
Сколько в мире материалов?
За все исторически обозримое время до
1996 года материаловеды всего мира создали
17 млн. веществ. Затем каждый год добавляют
по ~ 1 млн., т.е. на конец 2006 года в мире
известно ~ 27 млн. веществ искусственного и
естественного происхождения.
Систематизация и классификация веществ—
основа их эффективного использования и
прогноза принципов создания новых
материалов, адекватных по свойствам текущим
и перспективным тенденциям развития техники
и технологий.
Место и роль материала в процессе создания новой
техники
(адаптивная схема)
Задача,
идея
Конструкция
Материал
Технология
ИЗДЕЛИЕ
Аналогии в направлениях развития
природы и техники
(по Д.Н.Решетову)
Общие принципы
совершенствования
механических свойств в
природе и технике
•
•
•
•
•
•
•
Равнопрочность
Рациональность форм сечений
Равнодолговечность
Композитность систем
Многоконтактность
Средства повышения
надежности, долговечности
и эффективности
 Принципы местного качества
 Резервирование
 Уменьшение контактных
напряжений
 Создание напряжений сжатия
 Обтекаемые формы
 Волнообразные и шаговые
перемещения


Полимерные композиты – материалы настоящего и
будущего
Полимерные композиты являются
потенциальными носителями
интеллектуальных свойств: они
 чувствительны к физическим полям, т.е.
имеют сенсорную функцию;
 способны воспроизвести эффекторную и
процессорную функции,
и наконец, из всех материалов они
 наиболее близки к живой природе.
Область поиска
• Мультимодульность поликристаллических тел.
• «…Этому открытию, еще меньше десяти лет
(1968), так что должно пройти немало времени,
прежде
чем
будут
постигнуты
все
его
разветвления как в механике сплошных сред, так и
в атомной механике» (Дж.Ф. Белл, 1968 г.)
•.
Мезомеханический анализ
полимерных композитов
Перфорированные
Гранулированные
Ячейка периодичности
Модель
Тип материала
Пены
Наполненные
(частица, волокно)
Кристаллиты
Адаптивные
композиты
A
C
B
ft
fn