Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Нанопурга

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Макеева Екатерина Анатольевна

Опубликовал(а):  Травкин Илья Олегович

10 мая 2009

Ответ Макеевой Екатерины Анатольевны на задачу "Нанопурга" секции "Нанохимия"

1. c.5, цитата «Алмазоид – алмазоподобная структура, построенная из атомов углерода методами механосинтеза, имеющая прочность и химическую инертность алмаза. Алмазоид будет использоваться в качестве основного материала при построении нанороботов. Это гидрокарбонат, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную сетку, точно такую же, как в алмазе. В природе алмазоид встречается в сырой нефти в виде молекул низших гидрокарбонатов: адамантана, диадамантана и триадамантана.». Прокомментируйте это высказывание с точки зрения терминологии, неорганической, структурной химии и здравого смысла (5 баллов).

…Анализ бессознательного (вместе научным анализом):

Автор {оригинального источника про «алмазоид» - Прим. Ред.} (как и всякий порядочный алхимик) начал с "философского камня" - алмаза. Что же является причиной его магических свойств? – конечно тетраэдр! Магические свойства алмаза и мистическая простота образующих его тетраэдров, видимо, не давали автору покоя, и поэтому сублимировались в бессознательное понятие "алмазоид" (судя по всему, так автор называет тетраэдр, наделенный им мистическими свойствами). Кроме этого, … {автор цитаты} где-то мельком услышал (или, скорее всего, прочитал в английской книжке), что атом углерода в насыщенных углеводородах (англ. hydrocarbons - откуда и появились "гидрокарбонаты", совсем здесь неуместные) тоже имеет тетраэдрическое окружение. Но у алхимиков простых совпадений не бывает! По-видимому, фразы "прочность и инертность алмаза" и "основной материал для нанороботов" относятся к нанотрубкам (так как о прочности фуллерена можно говорить лишь на уровне одной молекулы). Совокупность этих фактов (sp3 гибридизация в алканах и алмазе и особые свойства алмаза и нанотрубок), по-видимому, и вылилась в бессознательное - мистический материал-алмазоид. Тот факт, что в нанотрубках атомы углерода не имеют тетраэдрического окружения, и то, что углеводороды не обладают сколько-нибудь значительной прочностью, автора не смущает: "тем хуже для фактов!". Также {автор цитаты} «не обратил внимания» на то, что углеводороды бывают не только насыщенными (то есть, формулируя в терминологии автора: "не все гидрокарбонаты являются алмазоидами"), и что ни нанотрубки, ни тем более углеводороды не получают методами механосинтеза. Этими методами можно получить некоторые метастабильные фазы, но ни нанотрубки, ни фуллерен так из графита не получатся - слишком сильно они отличаются от графита по энергии и по структуре. Возможно, в случае нанотрубок автор под механосинтезом имел в виду "перестройку" графита в нанотрубки.

"гидрокарбонат, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную сетку". «Пространственная сетка» из углеродных тетраэдров есть только в алмазе, в углеводородах в вершинах тетраэдра чаще всего атомы водорода. Адамантан автор выбрал, с точки зрения структурной химии, неслучайно: молекула имеют форму того же "мистического" тетраэдра. Но и он не имеет атомов углерода, у которых все соседи также атомы углерода, такие атомы есть только в ди- и три- адамантане. "Низшие гидрокарбонаты" (такого термина не существует) скорее всего появились в противовес "высшему" (т.е. превозносимому автором в качестве философского камня) алмазу (можно предположить, что имелись в виду низшие углеводороды - простейшие углеводороды, но адамантаны к ним скорее всего не относятся).

2. с.131, цитата «В целом, если не принимать в расчет первый японский «наноавтомобиль» на фуллереновых колесах, именно невозможность практически изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей (молекул) является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии». Прокомментируйте это утверждение с точки зрения возможных исторических и химических неточностей (3 балла).

Главная историческая неточность – японцы здесь совершенно не при чем. По-видимому, это снова пример стереотипности мышления: все технологические новинки идут из Японии. Автомобиль на фуллереновых колесах появился в Техасе, в Университете Райса благодаря усилиям научной группы профессора Джеймса Тура. И это был отнюдь не первый «наномобиль», другие научные группы уже создавали объекты нанометрового масштаба, внешне напоминающие автомобили, а также некоторые простейшие механические устройства – шестеренки, подшипники, переключатели, затворы ... Однако достижением американских ученых является то, что им удалось создать первую самодвижущуюся модель – движение происходит за счет вращения фуллереновых колес по нагретой поверхности золота.

Вторая часть приведенного в вопросе утверждения – о невозможности создания отдельных деталей – также не совсем корректна, даже совсем не корректна. Во-первых, «сборка» наномашины происходит не совсем так, как обычного автомобиля – здесь нет капота, мотора, колёс как «свинчиваемых» деталей, сборка происходит в ходе синтеза за счет химических связей. И в качестве деталей используют не уменьшенные копии деталей обычной машины, а наночастицы и наномолекулы с требуемыми свойствами, которые уже умеют синтезировать. Кроме того, автор, по всей видимости, не слышал, что профессор Тур в сотрудничестве с голландским ученым Беном Феринга уже модернизировал свою машинку. Если раньше было невозможно управлять движением отдельной наномашинки, если на «полигоне» их было несколько, то теперь у нее появился «молекулярный наномотор». Когда на него попадает луч света, он начинает вращаться, передвигая наноавтомобиль наподобие гребного колеса старинного парохода. Разработка и создание этого мотора, а также коренная перестройка самой машины (фуллереновые колеса пришлось заменить на карбораны из-за несовместимости прежних колес с мотором), очень хорошо иллюстрирует ВОЗМОЖНОСТИ нанотехнологии.

3. на с.196 обсуждается сообщение зам. начальника Генерального штаба ВС РФ по поводу успешного подрыва «папы всех бомб», цитата «… в сентябре 2007 г. Россией испытана новейшая вакуумная бомба, разработанная на принципах нанотехнологий, мощность которой, согласно утверждениям военных, может сравниться с ядерными боевыми зарядами». Пожалуйста, с использованием доступных Вам данных сравните тепловыделение при подрыве 1 тонны самых мощных взрывчатых веществ на Ваш выбор (можно также и объемного действия) с энергией, которая выделяется при подрыве «пули» с закритической массой, которая сделана из металлического америция (5 баллов).

Сравнение тепловыделения при взрыве некорректно, надо сравнивать работу при взрыве, поскольку в случае взрывчатки (например, ТНТ) происходит выделение НЕ тепла, а большого количества газообразных веществ, которые и создают взрывную волну (работа этой волны и есть "мощность взрыва"). Иначе алюмотермия окажется "мощнее" гексогена! А в атомной бомбе именно тепло производит работу, в отличие от ТНТ и пироксилина, где работа производится выделяющимися газами.

Килограмм пироксилина (бризантное ВВ) при взрыве совершает работу 470*103 кГм (Некрасов, т.1, стр. 432). Следовательно, 1 тонна - 4,7*109Дж. С америцием сложнее. Например, в англоязычной статье Интернет-энциклопедии Википедия со ссылкой наhttp://www.fissilematerials.org написано, что "Americium is also fissile; the critical mass for an unreflected sphere of 241Am is approximately 60 kilograms. It is unlikely that Americium would be used as a weapons material, as its minimum critical mass is considerably larger than that of more readily obtained plutonium or uranium isotopes". Хотя также встречаются упоминания, что критическая масса америция составляет 1% от критической массы урана (возможно, существуют такие изотопы). Кроме того, "атомную пулю" вроде бы планировали сделать из калифорния: "...в среднем на акт спонтанного деления 252Cf приходится 3,82 нейтрона. В цепной реакции на уране или плутонии выделение нейтронов заметно меньше. ... после изучения ядерных свойств калифорния считалось, что можно изготовить калифорниевую минибомбу весом всего несколько десятков граммов." (Популярная библиотека химических элементов)

Чтобы точно рассчитать мощность атомной пули, надо написать уравнение реакции, и по точным массам изотопов посчитать дефект масс, из которого далее рассчитывается энергию E=mc2. Но, поскольку точных цифр и уравнений в открытом доступе нет, сделаем оценку по-другому: предположим, что атомная пуля имеет критическую массу 20 грамм, выделение энергии америция/калифорния на единицу веса примерно такое же, как и у урановой бомбы. Используя данные Википедии (статья Nuclear fission) "For example, Little Boy weighed a total of about four tons (of which 60 kg was nuclear fuel) ... it also yielded an explosion equivalent to about 15 kilotons of TNT" - получаем, что 20 грамм пули соответствует примерно 5 тонн тринитротолуола. Т.е. энерговыделение получается: 5*4,7*109 = 25*109 Дж.

Очевидно, что ни одна химическая реакция не может сравняться с ядерной (разница примерно в 10 миллионов раз): "Typical fission events release about two hundred million eV of energy for each fission event. By contrast, most chemical oxidation reactions (such as burning coal or TNT) release at most a few eV per event, so nuclear fuel contains at least ten million times more usable energy than does chemical fuel." (Википедия, статья Nuclear fission)

Насколько время протекания химической реакции будет отличаться от времени протекания ядерной реакции (1 балл)?

Если имеется в виду химический и ядерный взрыв, то: время химической реакции взрыва – это время, за которое детонация распространяется по всей взрывчатке. Для пироксилина (бризантное ВВ) скорость взрыва 6300 м/с (у инициирующих ВВ скорость больше). Считая взрыв тонны пироксилина (приняв объем 1м3 и плотность 1г/см3), получаем время взрыва примерно 1/6300 с = 1,6*10-4c. Скорость ядерной реакции складывается из скоростей 2-х стадий: скорость нейтронов (пока нейтрон пролетает от ядра до ядра) и скорость деления ядер при попадании в них нейтрона. Поскольку этот процесс цепной разветвленный, то суммарная скорость увеличивается. Если считать, что взрыв происходит со скоростью нейтронов, образующихся при делении ядер (оценка минимального времени), то согласно английской Википедии (статья Nuclear fission): "newly-created fission neutrons are moving at about 7% of the speed of light, and even moderated neutrons are moving at about 8 times the speed of sound". Тогда самые быстрые нейтроны пройдут всю взрывчатку (условно считаем 10 см) за 0,1/(0,07*3*108) = 4,7*10-9 с. Т.е. время протекания данных процессов отличается не более чем на 5 порядков.

Если рассматривать распад одной молекулы и распад одного ядра под действием нейтрона: время распада молекулы определяется скоростью колебательного движения атомов, что, в свою очередь, зависит от запасенной тепловой энергии. Чтобы атомы разошлись на расстояния порядка длин связей, необходимо порядка нескольких фемтосекунд (при помощи одноименной спектроскопии можно наблюдать эти процессы). Распад ядра, в свою очередь, относится к квантовым процессам. Расстояния здесь на много порядков меньше (размер ядер по сравнению с атомами пренебрежимо мал - доказано опытами Резерфорда). Соответственно, времена распада значительно (на много порядков) меньше, чем распад молекул.

Каким образом может увеличить мощность бомбы «использование нанотехнологий»? (2 балла)

Для увеличения мощности бомбы необходимо получать взрывчатку (как ядерную, так и обычную) с максимальной плотностью, поэтому любое наноструктурирование, введение наночастиц будут лишь замедлять процесс взрыва. "Нано" может хоть как-то помочь только при создании объемного взрыва - тут нужно, чтобы размер частиц аэрозоля был как можно меньше (быстрее сгорит - создаст бОльшую ударную волну). Можно предположить, что, например, введение ПАВ для снижения поверхностного натяжения топлива может привести к более сильному дроблению капель (может, и нанокапли получатся), и, следовательно, к увеличению мощности взрыва. Распылитель такой бомбы тоже можно сделать из наноматериалов, чтобы распылял на более мелкие капли.

4. с 201, цитата «на 11 международной выставке средств обеспечения безопасности государства… научно-исследовательский институт стали (Москва) и институт прикладных нанотехнологий (Зелиноград) продемонстрировали первые опытные образцы «жидкой брони»…» (см. рис.). «… Создание «жидкой» брони заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фтора с наночастицами оксида корунда…» Найдите максимальное количество ошибок на приводимом рекламном блоке (3 балла).

Назвать это "жидкой броней" вряд ли можно: по описанию, гелем пропитывались вполне себе "твердые" листы обычной брони (основной импульс гасили именно они!)

  • "на основе фтора" - фтор - очень активный газ, реагирует не только с тканью, но и с водой, скорее всего, имелись в виду фторсодержащие полимеры.
  • "оксид корунда" – наверное, имелся в виду "оксид алюминия" (корунд)
  • "нанотехнология" (надпись в углу): спорно, что это нанотехнология, поскольку эффект упрочнения брони почти наверняка не зависит от введенных наночастиц, и возможно, не зависит от наноструктуры геля. Слой геля между отдельными листами в стопке "амортизирует" удар: при передаче импульса между листами часть энергии уходит в вязкое трение. Чтобы показать, что это нанотехнологии, по крайней мере, нужен контрольный опыт без наночастиц и геля (с другой не наноструктурированной вязкой средой).

Существуют ли реальные перспективы разработки «жидкой брони» и из каких компонентов она может состоять (3 балла)? Какова может быть ее эффективность и чем она определяется (1 балл)?

Вряд ли существуют реальные разработки жидкой (в привычном понимании этого слова) брони: ее можно будет использовать только в горизонтальном положении - иначе она будет стекать с защищаемого объекта. Прослойка жидкости (с большой вязкостью, например смолы) между листами основной броней может служить дополнительным амортизатором. Или, например, «самозалечиваться» после ударов. Допустим, в плоскости перпендикулярной воздействию в броне есть армирующие волокна (нанотрубки или наномолекулы полимера). Функции брони:

  1. рассеивает импульс от пули на большую площадь (чтобы это происходило, необходим дальний порядок, которого в обычной жидкости нет. Тут преимуществ у жидкой брони нет: армирующие волокна, погруженные в жидкость будут хуже рассеивать импульс на большую площадь, чем те же волокна в твердой броне)
  2. переводит кинетическую энергию пули в другие виды энергии (в этом случае у жидкой брони могут быть преимущества: при попадании пули в армирующие волокна они могут "погружаясь" в густую смолообразную жидкость передавать энергию пули в энергию вязкого трения - таким образом, в месте попадания останется большая вмятина, но армирующие волокна останутся целыми, в то время, в случае твердой брони вмятины не будет, но сильно поврежденные волокна и кристаллическая структура основного "твердого" материала могут уже не выдержать повторного попадания)
  3. либо оказывает пуле другое сопротивление... (например, жидкая взрывчатка (взрывается с большей скоростью, чем летит пуля): при попадании пули в такую броню происходит взрыв, и пуля попадает сначала во взрывную волну, и только потом, немного остановленная, в основную броню. Основная броня испытывает 2 импульса нагрузки (от взрывной волны и от пули), но каждая из них по отдельности меньше критической.)


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 8.3 (голосов 7)

 


Комментарии
Взрыв аэрозоля алюминиевой пудры - страшная штука. Гексоген действительно значительно слабее.

Пироксилин - это метательное ВВ. Со всеми вытекающими выкладками и расчётами.

Взрыв жидкой взрывчатки, отклоняющий пулю (КДЗ 2 поколения) пригоден только для бронетехники.

В общем "военных технологий" у вас не читали
Отвечу по порядку:
>Взрыв аэрозоля алюминиевой пудры - страшная штука. Гексоген действительно значительно слабее.
Вопрос, по каким параметрам сравнивать - ведь и аэрозоль муки может взорваться. Речь идет о мощности взрыва на единицу объема.
Схема моей логики примерно такова:
а) 1м3 любого аэрозоля не сравниться по мощности взрыва с 1м3 ТНТ
б) из всех ВВ самими мощными являются бризантные
в) главный параметр, определяющий мощность "химического" взрыва твердого ВВ нетепловыделение, а скорость взрыва и объем выделяющихся газов. Тепловыделение определяет работу только при ядерном взрыве.
Поясню на 2-х хорошо знакомых мне примерах:
- при алюмотермии выделяется много энергии, в т.ч. тепловой (больше, чем при взрыве ТНТ), иногда происходит несильный взрыв, но его мощность маленькая, поскольку нет газообразных продуктов
- насыпанная кучкой перекись ацетона беззвучно сгорает, но пластифицированная сильно взрывается (при этом тепловыделение в обоих случаях одинаковое).

>Пироксилин - это метательное ВВ. Со всеми вытекающими выкладками и расчётами. В общем "военных технологий" у вас не читали
Хоть и не читали нам этого удивительного предмета, приводимые данные взяты мной не "с потолка", а из уважаемого источника - (Некрасов, т.1, стр. 432). Вот цитата:
"По характеру действия взрывчатые вещества делятся на инициирующие, бризантные и метательные. Первые (детонаторы типа азида свинца) характеризуются наибольшей скоростью разложения, которое может быть вызвано механическим воздействием — ударом, наколом и т. п. Инициирующие взрывчатые вещества применяются дли снаряжения взрывателей.Бризантные (иначе, дробящие) взрывчатые вещества характеризуются меньшей скоростью разложения, которая все же очень велика. Например, скорость распространения взрыва пироксилина составляет 6300 м/сек. При таком почти мгновенном разложении взрывчатого вещества образуется громадный объем газов, которые и оказывают резкое давление на окружающую среду. Бризантные взрывчатые вещества применяются для снаряжении снарядов, мин, авиабомб и т. д., а также при различных подрывных работах. Обычно они взрываются только от детонации, т. е. от происходящего в непосредственной близости взрыва инициирующего вещества. Метательные взрывчатые вещества взрываются только от детонации и характеризуются сравнительной медленностью своего разложения. Например, скорость распространения взрыва черного пороха составляет всего 300—400 м/сек. Подобные взрывчатые вещества применяются для снаряжения ружейных и орудийных зарядов. Вследствие сравнительно малой скорости разложения метательного взрывчатого вещества пули или снаряд за время взрыва успевает покинуть ствол и открыть выход образующимся газам. Напротив, при снаряжении патрона пироксилином ствол в момент выстрела был бы разорван. Поэтому изготовление бездымных порохов на базе пироксилина и сводится главным образом к уменьшению скорости его разложении путем добавки к нему веществ, не имеющих взрывчатого характера."

>Взрыв жидкой взрывчатки, отклоняющий пулю (КДЗ 2 поколения) пригоден только для бронетехники.
Согласна. Но ведь это не противоречит сути ответа - перечислению вохможных типов "жидкой брони"
Мощность ВВ.
Мощность ВВ определяется тремя основными принципами: скорость выделения энергии (скорость распространения ударной волны), количество энергии (энергоёмкость ВВ) и эффективность передачи энергии метательному телу (воздух или осколки)
С этой точки зрения термитные смеси неэффективны: горят медленно, энергии выделяют сравнительно мало и передача никудышная. Но если ускорить скорость горения термита до скорости взрыва и насытить его массу, например, парафином – то получится весьма мощная взрывчатка. Нечто подобное уже сделано, называется “pyronol torch”. При горении генерирует мощную струю аэрозоля расплавленного оксида или фторида алюминия. Применяется в основном для резки металла.

Пироксилин

Ничья, Катя.
Есть пироксилин №1 (бризантный, много азота, детонирует) и пироксилин №2 (метательный, азота меньше, не детонирует). Я как-то привык считать пироксилин метательным ВВ, основой бездымного пороха.

По поводу “военных технологий” - так у меня их тоже не читали, но на одной из работ пришлось с ними столкнуться и серьёзно штудировать теорию.

На этой “пурге” я вроде как нашёл ошибок даже побольше. Присылаю на почту файл, будет желание – почитаешь. Будет большое желание – обсудим.
Дорогая Екатерина Анатольевна,

поздравляю Вас с успешным выступлением на Интернет-олимпиаде по нанотехнологиям. Внимательно прочитал Ваши ответы, в целом неплохо, но излишне эмоционально. Возможно, некоторые моменты учту при переиздании или подготовке новой популярной книги по практическому применению нанотехнологий. Желаю дальнейших творческих побед, успешной подготовки и защиты кандидатской диссертации.

Автор книги «Нанотехнологии. Наука будущего»
Виктор Балабанов
Желаю издания новых книг!
Евгений Алексеевич,
Вы не поставили смайлик (действительно, трудно выбрать подходящий).

Александр Ринатович,
"нашёл ошибок даже побольше" - видимо, в первоисточнике?
Я не смог дочитать. ПлакалЪ
Количество ошибок источника, заложенных в этой задаче.

Сам "источник" мне пока не попадался.
Я и не думал ставить смайлик и был очень серьезен.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Микрокрендель с Наносмыслом
Микрокрендель с Наносмыслом

В мастерских «Нанограда» прошла апробацию модельная программа для каникулярных школ
В парке «Науки и искусства» Образовательного Центра «Сириус», в рамках форума «Наноград. Сириус. 2017» прошла апробация девяти образовательных модулей, разработанных в рамках программы дополнительного образования детей в каникулярный период, ориентированной на изучение естественных наук и основ нанотехнологий.

НАНОГРАД. СИРИУС. 2017
Молодежный форум Наноград-2017 пройдет в Образовательном центре «Сириус»

Визит Президента ИЮПАК в Образовательный центр "Сириус"
22 июля состоялся визит Президента Международного Союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), члена - корреспондента РАН, директора Института химии и проблем устойчивого развития РХТУ имени Д.И.Менделеева, профессора Н.П.Тарасовой в Образовательный центр "Сириус", в ходе которого всемирно известный ученый выступила перед школьниками направлений "Нанотехнологии", "Новые материалы", "Микромир и микроскопия", "Агропромышленные и биотехнологии", "Беспилотный транспорт и логистические системы" с публичной лекцией "Устойчивое развитие: планетарные границы и зеленая химия".

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.