Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Модель нанотрубки, прикреплённой к поверхности фторида магния и изогнутой под действием силы трения.
Блок формул 1.
блок формул 2.

Прочность щётки из нанотрубок: модель

Ключевые слова:  наноматериал, периодика, углеродные нанотрубки

Автор(ы): Богданов Константин Юрьевич, Каманина Наталия Владимировна

Опубликовал(а):  Богданов Константин Юрьевич

31 августа 2009

Известно, что щётка из углеродных нанотрубок, нанесённая на поверхность, делает эту поверхность значительно более прочной. При этом прочность на износ (абразивная прочность) может возрастать в несколько раз (Каманина с сотр., Оптический журнал, №1, с. 83, 2008). В настоящей работе предлагается модель, с помощью которой можно оценить рост абразивной прочности поверхности фторида магния при нанесении на неё щётки из нанотрубок.

Модель включает в себя следующие постулаты:

  1. Абразивный диск перед тем, как разрушить поверхность, покрытую слоем нанотрубок, должен сначала содрать этот слой. Поэтому общая энергия, необходимая для разрушения поверхности будет равна сумме энергии Wотр, затраченной на отрыв защитного слоя нанотрубок от подложки, и энергии Wразр, идущей на разрушение самой поверхности подложки. Из работы Каманиной с сотр. (2008) следует, что значения Wотр и Wразрпредставляют собой величины одного порядка.
  2. Когда мы пытаемся оторвать слой нанотрубок, касаясь его крутящимся абразивным диском, сила трения, действующая перпендикулярно оси трубок, сначала деформирует их, а потом отрывает от подложки (фторида магния). Поэтому Wотр состоит из энергии упругой деформации трубки Wупр под действием силы приложенной к свободному концу, и энергии разрыва ковалентных связей молекулы MgC, WMgC.

Оценка силы

Попробуем сначала оценить силу Fотр, которую нужно приложить к свободному концу нанотрубки, чтобы оторвать её от подложки (фторида магния). Пусть длина нанотрубки L, её радиус r, а сила, при которой рвётся связь MgC , равна FMgC. Тогда из условия равенства моментов сил относительно т.О (см. рис.1) получаем:

(см. Блок формул 1 и Блок формул 2)

На процесс сгибания нанотрубки и её последующий отрыв необходимо затратить 2,2.10-20Дж , а на простой отрыв - в 5 раз меньше. Это и объясняет увеличение абразивной прочности покрытия, обработанного нанотрубками в разы!


В статье использованы материалы: Сайт К.Ю.Богданов


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Гудилин Евгений Алексеевич, 01 сентября 2009 11:26 
Действительно были проблемы специфичные броузеру
Но и связаные с самим текстом - удалось поправить, убрав лишний html код в конце
Очень интересная, логичная и понятная статья!!
Вопрос со стороны химика, почему Mg-C?? (карбид магния высокоэнергетичен и легко разрушается, к примеру, водой. Плюс фторид магния - ионное соединение, а сечение нанотрубки обычно терминировано атомами водорода, гидроксилами и карбоксильными группами)
Хотя из расмотрения четко понятно, что энергия (и, соответственно, природа) связи нанотрубки с поверностью не так существенна по сравнению с деформацией.
Другой вопрос: в реальной жизни длина нанотрубок легко достигает нескольких микрон, если подставлять эти значения в формулы 2 - получатся колоссальные энергии. Будет ли это означать, что при увеличении длины нанотрубок в какой-то момент преимущественной модой деформации будет проскальзывание нанотрубок по поверхности?
Богданов Константин Юрьевич, 01 сентября 2009 19:26 
Владимир Владимирович, на Ваш первый вопрос ответить не могу, т.к. НЕ химик. Почему-то решил, что нанотрубки, соединяясь с подложкой из фторида магния, образуют связь Mg-C. Однако, как Вы верно заметили, вид связи не очень существенен, особенно, если длина нанотрубок достаточно велика. Что касается "другого" вопроса, то здесь Вы абсолютно правы - длинные нанотрубки будут БЕСКОНЕЧНО увеличивать абразивную прочность поверхности. Попробуйте стереть абразивом щётку для обуви! Не получится, т.к. волоски будут просто сгибаться.
Константин Юрьевич,
Очень интересно, спасибо! И правда волосы очень хорошо защищают поверхности своей деформацией.
И сразу возник вопрос, где будет предел "бесконечного" увеличения абразивной прочности поверхности.
Попробовал с щетками (надеюсь жена не заругает ) и такие простые соображения (не судите строго): действительно стереть трудно, но при старании можно и наблюдаются два сценария разрушения:
1) Непосредственное истирание волосков абразивом в контакте.
2) Отрывание волосков, которые слабо связаны с поверностью.
Первый сценарий сверхпрочным углеродным трубкам вряд ли грозит, а вот второй вероятно будет актуален, особенно если абразив будет сильно прижат к поверности при стирании.
То есть получится так, что отрыв нанотрубок будет определяться балансом их энергии связи с поверхностью и сил трения, в свою очередь во многом зависящих от деформации(??).
И по сути получится, что при первом контакте с абразивом, сама поверхность пострадает мало, но может потерять "волоски".
Богданов Константин Юрьевич, 02 сентября 2009 06:51 
Да, Владимир Владимирович, при большой нагрузке или силе прижатия абразив сначала сорвёт весь слой волосков или нанотрубок, а потом будет крушить поверхность подложки.
Константин Юрьевич, а должны тогда помочь в качестве защиты волосков (и смазки) маленькие неполярные молекулы, которые будут перекатываться по поверхности, например фуллерены
Или может лучше короткие нанотрубки, нанесенные поверх длинных (волосков) и не связанные с поверхностью. Чтобы эти короткие трубки легко снимались с места и перекатывались в волосках и по возможности в волосках оставались, защищая их.
В такой системе трение возможно будет уменьшено до уровня, когда длинные волоски не будут отрываться от поверхности.
P.S. Подумал уже потом, что в природе используется похожий механизм - волосяной покров и жировая смазка.
Peressadko Andrey G., 02 сентября 2009 10:35 
Не совсем понятен механизм взаимодействия между поверхностью абразива и нанотрубкой. - Каким образом абразив создает силовое взаимодействие с нанотрубкой которое достаточно для отрыва нанотрубки от поверхности? - Грубо говоря, для отрыва трубки от поверхности сила взаимодействия между абразивом и трубкой должна быть больше чем между трубкой и поверхностью на которой она приклеплена. Каким образом возможно возникновение такого взаимодействия и что это за взаимодействие?...

Представляется, что механизм взаимодействия абразива и поверности с трубками может быть сложней чем просто отрыв трубок - нанотрубки на поверхности играют роль смазки преотвращающей контакт между частицами абразива и поверхностью. И износ основы поверхности происходит в местах где нет нанотрубок.
Ай, какие молодцы, что обсуждаете этот наш эффект увеличения прочностных свойств и лазерной прочности при сохранении или даже увеличении пропускания (прозрачности)"мягких материалов" УФ и ИК-диапазона. Несколько дней отсутствовала и не участвовала в дискуссии...Бегло прочла комментарии...Модель фторид магния - нанотрубка была выбрана из простых соображений, что для этой системы, я имею в виду фторид магния, у нас уже были сделаны многочисленные эксперименты, включая квантово-химические расчёты (благодарю за помощь в этом направлении Е.Ф. Шека и К.А. Никитину)и мы убедились, что возможно ковалентное взаимодействие между фторидом магния и нанотрубкой. Кроме того,этот материал, как модель, может объяснить аналогичное явление для стратегических фторидов бария и кальция, что крайне важно в других, не гражданских применениях ...Кроме того, мы сделали атомно-силовой анализ и убедились в перпендикулярном расположении нанотрубок при нанесении их лазерным способом да ещё и при ориентировании в электрическом поле. Снимки чёткие и ясные, просто заглядение какое-то.
По поводу фуллеренов. Конечно, мы пробовали проверить и воздействие фуллеренов на поверхность, например, обычного силикатного стекла. Смешно, но факт, что абразивная прочность (прочность на истирание) увеличивается в 2 раза, а если брать проводящие покрытия на основе окислов индия и олова, то и лазерную прочность (плотность энергии до разрушения) можно увеличить...в 5!!! раз...И где же, скажите великодушно, применять эти эффекты и...кому это нужно ?..."Глас вопиющего в пустыне"...
Да, забыла про спектр написать. Увеличение пропускания, например, в ИК, обяъясняется тем фактом, что у нанотрубок диэлектрическая проницаемость, вернее её мнимая часть, ответственная за поглощение, практически равна нулю, по крайней мере, на длинах волн от 2 до 12 микрометров. Вот вам и "отсутствие Френелевских потерь", уж простите меня за такой жаргон. Ну нет у нас границы раздела среды: покрытие-матричный материал!!!...
Почти как иголка, что была запатентована, вернее "ход иглы в швейной машине"...Только там всё пригодилось людям...
Наталия Владимировна,
Замечательно, что авторы принимают активное живое участие!

Если можно, пожалуйста, поясните поподробнее:

1) мы убедились, что возможно ковалентное взаимодействие между фторидом магния и нанотрубкой
Какие конкретно ковалентные связи образуются в данной системе и каковы величины их энергий? (Фторид магния - ионное соединение, а углеродные трубки или терминированы ковалентными группами или возможно радикалы при высокоэнергетическом нанесении.)

2) Ну нет у нас границы раздела сред
Почему нет? А тогда граница раздела воздух-трубки? И про реальную часть диэлектрической постоянной вроде не шла речь. Непонятно!
И почему отсутствует поглощение?? Можно, пожалуйста, ссылку!
Спасибо за комментарий, Владимир Владимирович.
По поводу первого вопроса, мне нужно подумать, как лучше ответить, поскольку я не химик, но по величинам рассчитанных квантовыми химиками энергий (по найденному минимуму при определенном расположении нанотрубки по отношению к поверхности фторида и расстоянию между ними) могу судить, что, действительно, есть новое соединение...По второму вопросу. Как же мне привязать здесь спектр, скажем от видимого до ИК? Я, пока, не умею строить графики на сайте нанометра. Позвольте я дам Вам ссылку на три наши первые статьи по этому вопросу. Прошу прощения, это не реклама, а некоторая помощь себе же самой для объяснения.
1. Н.В. Каманина, П.Я. Васильев, В.И. Студенов, Ю.Е.Усанов «Упрочнение прозрачных проводящих покрытий и «мягких» материалов ИК диапазона спектра при применении нанотехнологий» // Оптический журнал, т.75, №1, 83-84 (2008).
2. Н.В. Каманина, П.Я. Васильев, В.И. Студенов «Применение нанотехнологий в оптике: о возможном увеличении прозрачности и повышении поверхностной механической прочности материалов УФ и ИК диапазона» // Оптический журнал, т.75, №12, 57-60 (2008).
3. Н.В. Каманина, К.Ю. Богданов, П.Я. Васильев, В.И.Студенов «К вопросу о повышении поверхностной механической прочности «мягких» материалов УФ и ИК-диапазона спектра и увеличении их спектра пропускания: модельная система MgF2-нанотрубки» - в печати.
По поводу границы раздела. Я говорила о границе между покрытием и матрицей. Естественно, что граница раздела воздух-нанотрубка остаётся...Шероховатость поверхности, кстати, также изменяется в 2-3 раза...в сторону уменьшения

...И куда ЗАКАЗЧИКИ смотрят???
Спасибо, Наталия Владимировна!
В меру моей ограниченной осведомленности, функции привязки файлов пока нет
Если можно, пошлите, пожалуйста, мне статьи по эл-почте (адрес в профиле).
Здравствуйте, коллеги!
Владимир Владимирович, я отослала Вам материал по электронной почте. Благодарю ещё раз за интерес к нашим разработкам.
Наталия Владимировна,
Большое спасибо за статьи.
Про оптические свойства, думается, разобрался!
Про расчеты по взаимодействиям написал по электронной почте.

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

 

Пористый никель
Пористый никель

Научно-популярный лекторий РНФ на Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2019»
С 9 по 11 апреля российские ученые рассказывают о своих научных исследованиях, которые выполняются по грантам Российского научного фонда. Лекции проходят в рамках Лектория РНФ во время проведения Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2019».

Фестивали «От Винта!» и NAUKA 0+ представили инновационные проекты на выставке Hannover Messe 2019
Ганновер (Германия) 5 апреля 2019 года. – Объединённая экспозиция Фестиваля детского и молодежного научно-технического творчества “От Винта!” и Всероссийского фестиваля NAUKA 0+ была представлена на крупнейшей выставке промышленных технологий Hannover Messe 2019 в Германии в составе стенда Российской Федерации, организованного Российским экспортным центром при поддержке Министерства промышленности и торговли РФ.

Стань магистрантом в области светодиодных технологий без экзаменов
От бакалавриата к магистратуре без вступительных экзаменов уже сейчас? С портфолио возможно все! Участвуйте в конкурсе «Науке нужен ты!» и получайте бюджетный билет в первую в России магистерскую программу в области светодиодных технологий и оптоэлектроники Университета ИТМО!

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
А.А.Семенова
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

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!



 
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.