Файл: Реферат Нанохимия путь к высоким технологиям xxi века.rtf
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 84
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»
Физико-технологический институт
Кафедра ФМПК
РЕФЕРАТ
«Нанохимия – путь к высоким технологиям XXI века»
Студент: Чудинов Е.П.
Группа: Фт-100018
Преподаватель: Штанг Т.В.
Екатеринбург
2020
Содержание
Сожержание..............................................................................1
Введение..............................................................................2
Основная Часть отчета
..............................................................................2
Синтетические алмазы:
..............................................................................3
Методики Создания Синтетического алмаза
..............................................................................3
Перспективы Синтетических алмазов
..............................................................................3
Аэрогель
..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................3
Введение
Одна из главнейших задач современной нано химии является конструирование новых материалов и композитов из частиц атомного и субатомного размера. Химические инновации и новшества уже сейчас плотно вошли в нашу обыденную жизнь. Уже сейчас купить, к примеру, аэрогель или синтетический алмаз не представляется трудной задачей в данной работе я попытаюсь рассказать о многообещающих новых технологиях нашего времени и как они могут повлиять на нашу жизнь и наше общество в целом.
Основная Часть отчета
Время идет и наши технологии тоже не стоят на месте, в отличии от линейного течения часов и секунд технический прогресс человечества растет в геометрической прогрессии (см рис.1)
(рис.1)Таким образом, мы можем понять, что технологии, появившиеся за последние 10-20 лет, будут иметь непосредственное влияние на развитие человечества уже сегодня. Ниже, разберем что такое Нанохимия и какие технологии этой науки скорее всего окажутся «билетом человечества» в мир, который когда-то называли «научной фантастикой».
Нанохимия — это раздел химии , исследующий свойства, строение и особенности химических превращений наночастиц. Отличительной особенностью нанохимии является наличие размерного эффекта — качественного изменения физико-химических свойств и реакционной способности при изменении числа атомов или молекул в частице. Обычно данный эффект наблюдается для частиц размером меньше 10 нм, хотя данная величина имеет условное значение.(источник определения https://ru.wikipedia.org/)
«Большое начинается с малого» (с) Натан Дрейк, в контексте этого реферата большое, действительно начинается с малого, давайте посмотрим какое «малое» сможет привести нас к «большому»
Синтетические алмазы:
Конечно, даже развитие аппаратуры и технологий еще не стало причиной полного перехода от природных камней на синтетические алмазы. Пока компании по выращиванию алмазов в лабораториях руководствуются принципом «два из трех»:
-Качество
-Размер
-Рентабельность
Два из трех критериев выбирается в процессе, но пока предел или идеал не достигнут, ученым есть к чему стремиться. Большинство людей видят в магазинах алмазы уже в обработанном виде в качестве бриллиантов. Камни оправляются в драгметаллы и выступают в роли дорогостоящих украшений. По химическому составу бриллиант является углеродом с особым строением кристаллической решетки.(см рис 2)
(рис.2)
Первые попытки синтезировать камень начались после исследования структуры алмаза — она очень плотная, кристаллическая решетка состоит из атомов, соединенных ковалентными, сигма-связами. Разрушить эти соединения легче, чем их сформировать. Попытки синтезировать алмаз начались из-за характеристик алмаза:
-Самая высокая твердость (10 из 10 по шкале Мооса). Даже состав сплава стали не настолько твердый, как алмаз.
-Температура плавления вещества 800-1000 градусов Цельсия с доступом кислорода и до 4000 градусов Цельсия без доступа кислорода, с дальнейшим превращением алмаза в графит.
-Алмаз может быть использован в качестве диэлектрика.
-У минерала самая высокая теплопроводность.
-Минерал не растворяется в кислоте.
Выход на рынок синтетических алмазов может случиться в один момент и стать неожиданностью. Алмазная индустрия претерпит изменения, уменьшатся объемы продаж. Из камня начнут изготавливать полупроводники. Из-за высокой температуры плавления полупроводники из алмаза можно разогревать до больших показателей, чем кремний. При температурах около 1000 градусов Цельсия кремний в микросхемах начинает плавиться и отключается, а алмаз продолжает работать.
Искусственный алмаз — действительно полезная вещь в науке и производстве. Среди ученых, которые занимаются синтезом алмазов для промышленности распространена такая поговорка: «Если ничего нельзя сделать из алмаза, сделайте из него бриллиант».
Методики Создания Синтетического алмаза
Первые попытки получить алмаз искусственный начались еще в конце XVIII века, когда стало известно о составе камня, но технологии не позволяли воссоздать нужную температуру и давление для образования минерала. Только в пятидесятых годах XX века попытки синтеза вещества увенчались успехом. Среди стран, выращивающих алмазы, были США, ЮАР, Россия.
Оборудование для создания искусственных алмазов
(рис. 3)
Первые синтетические алмазы были далеки от идеала, но сегодня камни практически неотличимы от природных алмазов. Процесс выращивания является трудоемким и материально затратным. Существует несколько вариантов и форм синтеза алмаза:
-
Способ получения HPHT-алмазов. Эта методика близка к природным условиям. При ней необходимо соблюдать температуру 1400 градусов Цельсия и давление в 55000 атмосфер. В производстве используются затравочные алмазы, которые кладут на пласт из графита. Размер затравочных камней до 0,5 миллиметров в диаметре. Все компоненты размещают в специальном устройстве, напоминающем автоклав в определенном порядке. Сначала располагается основа с затравкой, потом идет сплав металла, который является катализатором, затем прессованный графит. Под воздействием температур и давления ковалентные пи-связи графита преобразуются в сигма-связи алмаза. Металл в процессе плавится, и графит оседает на затравку. Синтез продолжается от 4 до 10 дней, все зависит от требуемых размеров камня. Весь потенциал методики не раскрыт, и не все ученые доверяли этой технологии, пока не увидели созданные крупные кристаллы ювелирного качества. Огранка у полученных камней одинаковая. -
Синтез CVD-алмазов. Аббревиатура расшифровывается, как «осаждение из пара». Второе название процедуры — пленочный синтез. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. Именно она создает промышленные алмазы, которые можно использовать даже для лезвий в микрохирургии. По технологии также нужна подложка, на которую помещается алмазная затравка и все это располагается в специальных камерах. В таких камерах создаются вакуумные условия, после чего пространство заполняется газами водорода и метана. Газы разогреваются с помощью СВЧ-лучей до температуры 3000 градусов Цельсия, и углерод, который был в метане, оседает на основу, которая остается холодной. Синтетический алмаз, созданный по этой технологии, получается более чистым, без примесей азота. Эта методика напугала большинство концернов, добывающих камень в природе, поскольку она способна дать чистый и большой кристалл. Такой камень практически не будет иметь металлических примесей и его сложнее будет отличить от натурального. Алмазы, полученные по этой технологии, можно будет использовать в компьютерах в качестве полупроводника вместо кремниевых пластин. Но для этого необходимо усовершенствовать методику выращивания, поскольку пока размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин доходят до отметки 1 сантиметр, но через 5 лет планируется достижение планки в 10 сантиметров. А стоимость карата такого вещества не будет превышать 5 долларов. -
Способ взрывного синтеза — одна из последних задумок ученых, позволяющих получить искусственный алмаз. Методика дает возможность получить искусственный камень за счет детонации взрывчатых веществ и последующего охлаждения после взрыва. Кристаллы в результате получаются мелкие, но способ приближен к естественному образованию минералов.
Перспективы Синтетических алмазов
Ввиду наличия особых характеристик, а именно прочность, высокая температура плавления и доступность, дешевизна материала, синтетический алмаз является отличным строительным и составным материалом устройств, зданий , машин любого вида и масти. Вещь, сконструированная из алмазов при правильной технологии, будет превосходить своих «не алмазных» аналогов.
Аэрогель
Аэрогель- почти невесомая прозрачная субстанция, которая напоминает дымке. Аэрогель является легким и экологически чистым материалом, а также является прекрасным утеплителем конструкций строительного формата и инженерных коммуникаций. Его название «aergelatus», состоящее из двух словообразующих корней, можно перевести как «замороженный воздух». Другое расхожее название — «замороженный дым». Действительно, по внешнему виду, а также весу, аэрогель напоминает густую дымку. Практического применения в те годы этой новой структуре найдено не было, как и доступной технологии для его синтеза в сколь-нибудь серьезных масштабах. Все это пришло позднее, ближе к концу века, когда было налажено производство аэрогеля и его полезное использование, прежде всего — в качестве очень эффективного термоизоляционного материала.
Особенности материала
Уникальность материала состоит в полном отсутствии в его составе какой бы то ни было жидкой фазы, которая в процессе производства вся полностью переходит в газообразное состояние. В результате аэрогель, представляющий собой уникальную молекулярную решетку с порами размером всего около 2 мкм, практически на 99,8% состоит из воздуха, полностью обездвиженного. Благодаря этому фактору аэрогель обладает очень низкой плотностью, по параметрам превосходящей только плотность воздуха и всего в полтора раза. В то же время материал имеет высокую прочность, которая позволяет ему выдержать нагрузку, превышающую его собственный вес в 2000 раз. Например, блок аэрогеля, массой всего 2,4 грамма, способен выдержать весовую нагрузку кирпича в 2,5 кг.
Ну а где обездвиженность газов – там и особые термоизоляционные качества. И что интересно – сопротивление теплопередаче аэрогеля – даже выше, чем у полностью неподвижной воздушной прослойки. Просто по той причине, что поры материала не оставляют никакой свободы движения молекулам, составляющим воздух. То есть здесь неподвижность рассматривается буквально на молекулярном уровне.
При изготовлении этого материала в промышленных условиях, гелеобразная субстанция проходит полимеризацию, после чего на выходе получается вещество желеобразной формы. Далее из этого «желе» должна быть полностью удалена вода — процесс суперкритического высыхания производится в специальном автоклаве при воздействии высокого давления и температуры, при участии в этом процессе углекислого сжиженного газа.
Начало промышленного использования аэрогеля – за компанией «Monsanto», которая освоила выпуск термоизоляционных материалов. Впрочем, производство просуществовало не столь долго и было свернуто просто из-за его дороговизны. Но уже в 90-х же годах аэрогели стали вновь применяться, но уже в космической отрасли. Постепенно этот материал «просочился» и в сферу промышленного строительства, где использовался на самых ответвленных участках, например, для термоизоляции технологических трубопроводов и резервуаров.
В 2007 году в США химиками были разработаны и прошли презентацию аэрогели, в состав которых входит платина. Эти материалы предназначены для создания эффективных сорбционных фильтров, позволяющих производить очистку воды от свинца, ртути и других опасных для человека тяжелых металлов. Правда, изготовление этого материала в промышленных масштабах — пока еще слишком дорогое из-за необходимости использования драгоценного металла. Поэтому идут лабораторные работы по поиску более доступного по стоимости аналога платине, который предоставит возможность массового производства фильтров. Это, как надеются разработчики, позволит в будущем производить очистку водоемов планеты от различных химических загрязнений.
Разновидности аэрогелей
-
Кварцевые аэрогели обладают чрезвычайно низкой плотностью, лишь немногим уступая в этом вопросе абсолютным рекордсменам–аэрографитам и аэрографенам. В среднем их плотность составляет всего 1,9 кг/м³, что меньше плотности воды почти в 500 раз, и всего в полтора раза выше плотности воздуха. -
Углеродные аэрогели, состоящие из наночастиц, которые ковалентно связаны между собой, отличаются своей электропроводностью. Поэтому их, помимо термоизоляционных функций, часто применяют в качестве электродов в конденсаторах – за счет огромной площади внутренней поверхности можно достигать и огромных показателей электрической емкости. Кроме того, подобные материалы способны отражать всего лишь порядка 0,3% попадающего на них излучения, поэтому их широко применяют в качестве поглотителей солнечного света. -
Кремнезёмные аэрогели чаще всего применяются в качестве катализаторов в ответственных технологических процессах.