Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1 - Фрактальные структуры (Популярная механика)
Рисунок 2 - Снежинка Коха - один из примеров фрактальных структур
Рисунок 3 - Процесс образования снежинки Коха
Рисунок 4 - Броуновское движение частиц
Рисунок 5 - Конструкция купола похожа на структуру фуллерена
Рисунок 6 - Стилизованное изображение молекулы дендримера (слева) и химический граф, относящийся к классу тридендримеров (справа). 1-ядро, А,В,С-дендроны, Z-терминальные функциональные группы.
Рисунок 7 - Фуллеренопирроллидиновые дендримеры второй генерации
Рисунок 8 - Фрактальная организация нейронов
Рисунок 9 - Определение размерности морской границы Норвегии. Один из примеров фрактальной структуры.
Рисунок 10 - Вид речного бассейна из космоса.
Зимний узор на окне (liveinternet.ru)

Фракталы в наномире

Ключевые слова:  наномир, периодика, самоорганизация, фрактал

Автор(ы): Клюев Павел Геннадиевич

Опубликовал(а):  Клюев Павел Геннадиевич

31 октября 2010

Фракталы, пожалуй, являются одним из наиболее удивительных творений природы. Такие структуры замечательны тем, что получить их можно путем всего двух простых операций - копирования и масштабирования. Что общего между деревом, легкими и кровеносной системой человека? Казалось бы, - ничего! Это только на первый взгляд. Ведь эти системы самоподобны и являются фракталами. И действительно, на каждом дереве есть ветки, от них отходят веточки поменьше, еще меньше и т.д.. То есть по сути каждая веточка подобна всему дереву. Так же устроена и кровеносная система человека. От крупных сосудов отходят сосуды поменьше, все разветвляясь и разветвляясь, пока они не станут тончайшими капиллярами. Точно так же устроены и легкие человека. Если рассматривать броуновское движение частиц, то следя за передвижением одной коллоидной частицы, получим некоторую кривую траектории ее движения (рисунок 4). Если бы у нас была возможность регистрировать положения частиц с большей частотой, то обнаружилось бы, что траектория ее является еще более сложной и запутанной. И фактически также является фрактальной структурой. Вообще, фрактальные структуры живой природы (нерегулярные фракталы) характеризуются ограниченной шкалой повторов и менее хаотизированы по сравнению с фракталами неживой природы. Фракталы можно отнести к области исследования синергетики - науки о самоорганизации. В связи со стремительным ростом развития нанонауки, вопрос о самоорганизации и самосборке становится особенно актуальным.

Использование принципов фрактальной геометрии позволяет провести параллели между живыми и неживыми объектами, созданными человеком – ярким примером является схожесть конструкции геодезического купола с молекулой фуллерена. Строительную конструкцию геодезического купола (рисунок 5) запатентовал Р.Б.Фуллер (американский изобретатель и архитектор) в 1954 году. В СССР купольными разработками занимался М.С. Туполев. Геодезические купола представляют собой сеть треугольников, формирующих поверхность, форма которой близка к сферической. Повторные подразделения на треугольники, характерные для геодезических куполов, образуют фрактальный алгоритм.

Одной из фундаментальных характеристик фрактала является его размерность, которая показывает степень заполненности пространства структурой и не является целой величиной. Так, n-мерные фракталы занимают промежуточное положение между n-мерными и n+1-мерными объектами. Тем не менее, фрактальные формулы позволяют с хорошей точностью описывать микро- и макроскопические свойства наносистем, например, молекул дендримеров. Дендримеры относятся к классу полимерных соединений, молекулы которых имеют большое количество разветвлений. С каждым элементаным шагом роста молекулы количество разветвлений растет. В полости молекул дендримеров также могут вводиться различные лекарственные вещества, что делает дендримеры привлекательным объектом для хранения лекарств.

К фрактальным структурам относятся так называемые аэрогели. Аэрогель представляет собой макроскопическое твердое тело, которое состоит из микроскопических частиц, связанных между собой таким образом, что они занимают не всю, а лишь некоторую, малую часть пространства. Аэрогели можно использовать для хранения в их внутреннем полом пространстве веществ. Аэрогели Al2O3 и SiO2 могут быть использованы для хранения компонент ракетного топлива: азотной кислоты, оксидов азота и диметилгидразина. Кислота и оксиды азота служат окислителями, а диметилгидразин - топливом. Проведенные эксперименты показали, что можно хранить 20 г азотной кислоты и 40 г диметилгидразина в одном грамме аэрогеля. Малый удельный вес аэрозоля делает его идеальным в качестве емкости для хранения ракетного топлива.

Немногочисленные экспериментальные данные говорят о том, что фрактальные структуры обладают уникальными свойствами. Высокая удельная поверхность в пористых фрактальных структурах делает их привлекательными эмитентами. Отмечается возникновение эмисионного тока, превышающего ток первичных, бомбардирующих образец, электронов, в 3 раза. Кроме того, оказывается, что фрактальные структуры способны поглощать свет в 15-30 раз сильнее, чем монокристаллические образцы материалов (это было продемонстрировано на примере SiC, фрактальная структура которого является нелинейной оптической средой и может быть использована в качестве поглотителя в видимом диапазоне длин волн). Кроме того, фракальные пористые структуры могут выступать прекрасными катализаторами, сорбентами и ингибиторами ввиду высокой удельной площади поверхности.

Мир фракталов интересен и разнообразен, он тесно связан с такими понятиями как самоорганизация и самосборка, теория бифуркаций и катастроф. Аеще каждый из нас непременно встречается с ним как минимум раз в году, когда на наших окнах появляются причудливые формы мира фракталов - зимние узоры.


Список использованных источников

1 Фракталы в физике твердого тела. Золотухин И.В., Соровский образовательный журнал, 1998

2 Поглощение света твердотельными фрактальными структурами карбидакремния. Золотухин И.В. и др., Письма в ЖТФ, 2000, Т.26, Вып. 23.

3 Исаева В.В., Касьянов Н.В. Фрактальность природных и архитектурныхформ, Культура, Весник ДВО РАН, №5, 2006.

4 Ю.Д. Третьяков. Дендриты, фракталы и материалы. Соровский образовательный журнал, №11, 1998

5 В.В. Исаева, Ю.А. Каретин, А.В. Чернышев, Д.Ю. Шкуратов. Фракталы и хаос в биологическом морфогенезе, Владивосток: Институт биологии моря ДВО РАН, 2004

6 Таланов В.М., Ерейская Г.П., Юзюк Ю.И. Введени в химию и физику наноструктур и нанострурированных материалов, М.:Академия Естествознания, 2009.



Средний балл: 9.8 (голосов 4)

 


Комментарии
Палии Наталия Алексеевна, 31 октября 2010 17:48 
еще каждый из нас непременно встречается с ним как минимум раз в году, когда на наших окнах появляются причудливые формы мира фракталов - зимние узоры. - и еще, практически ежедневно, когда пользуемся Интернетом ( The fractal properties of Internet)
Палии Наталия Алексеевна, 31 октября 2010 17:50 
Рисунок 8 - Фрактальная организация нейронов - по-видимому, о ней знали древние китайцы, придумавшие такой метод лечения, как иглотерапия.
Фрактальность фуллерена и куполов Фуллера вызывает большие сомнения. Откуда там может появиться скейлинговая зависимость не понятно. Классические гладкие объекты.
Да и вообще тезис о фрактальности наномира спорен. Маловато дипазона скейлинга (масштабов, на которых наблюдается самоподобие), да и ключевая особенность - появление новых свойств при уменьшении мастабов говорит о том, что на разных мастабах ключевыми являются разные силы.
И в статье про фракталы не упомянуть Мандельброта и не дать ссылку на его книгу не совсем корректно. Особено учитывая его совсем недавний уход из жизни.
Палии Наталия Алексеевна, 01 ноября 2010 14:30 
Да, ссылку на Мандельброта обязательно нужно привести, например: Fractals and Chaos.
Владимир Владимирович, 01 ноября 2010 17:49 
Ничего ни нового, ни интересного по сравнению со множеством доступных научно-популярныx публикаций.
Бестолковый пересказ поверхностной сути с недодумками и опечатками.

Автор, судя по всему, любопытный социальный эксперимент Нанометра - что получается, если студенты публикуют без всякой цензуры.

Положительным эффектом (целенаправленно достигаемым(?)) является то, что на данном фоне (абсолютного ноля около - 300 - 500 Цельсия) любые "кoшки типа Альтернативной Экологии" значительно менее серы
Клюев Павел Геннадиевич, 01 ноября 2010 19:45 
Положительным эффектом (целенаправленно
достигаемым(?)) является то, что на данном
фоне (абсолютного ноля около - 300 - 500
Цельсия) любые "кoшки типа Альтернативной
Экологии" значительно менее серы
---

Да, Вы абсолютно правы, Владимир
Владимирович!
Плохо только еще и то, что даже таких "менее
серых кошек" никто приручить не хочет!
Какие были и есть учителя, извините, но это
так и есть... ведь самому, знаете ли, очень
трудно постигать. Может таланта нет, может
способностей...
Но когда в очередной раз тебя в универе
унизят, скажут "закрой рот и сиди молча!",
когда пытаешься доказать, что зачитывать
слайд-лекции в качестве ответа на вопрос, это
бессмысленно и ничему не учит, просто как
говорит один ихз преподавателей "тупо", сам
осознавая сей факт,
то наверное, и с Вашим мнением согласишься!
Поневоле. Лучше ничего не делать и
быть массой, сознанием которой проще всего
управлять.
Извините, если что не так.
Клепа, 01 ноября 2010 20:07 
Павел Геннадиевич,
Владимир Владимирович, 02 ноября 2010 06:47 
Павел Геннадьевич,
Я по-человечески, по размышлению и осознанию, извиняюсь за очень грубые нелицеприятности.
Только Вы определитесь, пожалуйста.

Если ни учителей, "ни таланта, ни способностей", и Вам просто необходимо самоутвердиться, то Вы сделайте, пожалуйста, пометку на публикациях "на правах самоутверждения", и мы (я конкретно) постараемся отнестись с должной заботой и пониманием.

А если Вы что-то реально хотите и пытаетесь сделать, совершенствоваться, и "не быть массой", то Вы единственный студент здесь публикующий "сам по себе", не рецензируемый другими редакторами. И, в таком случае, разумные ожидания, что Ваши труды должны быть очень высоких стандартов, что совсем не так для большинства Ваших работ. Задумайтесь, хотите ли Вы внести свой яркий вклад в деградацию Нанометра.
Клюев Павел Геннадиевич, 02 ноября 2010 17:17 
Хорошо, постараюсь
Опечатка: "Если рассматривать движение броуновское движение частиц..."
Клюев Павел Геннадиевич, 04 ноября 2010 14:25 
спасибо
Что такое эмитенты (может быть эмиттер)?

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

 

Самоорганизация в природе
Самоорганизация в природе

Начинается XV Олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!"
Совсем скоро начнется юбилейная XV Всероссийская Интернет-олимпиада по нанотехнологиям «Нанотехнологии – прорыв в будущее!». Предлагаем ознакомиться с актуальной информацией и расписанием Олимпиады.

В России стартовал самый масштабный научно-популярный фестиваль
РГ: В МГУ дан старт самому масштабному научно-популярному событию в мире - Всероссийскому фестивалю NAUKA 0+. В программе - свыше 10 000 мероприятий: лекции нобелевских лауреатов, вебинары и мастер-классы, виртуальные лабораторные, научные шоу, интерактивные выставки, телемосты с CERN, Международной космической станцией и российской антарктической станцией "Восток", дискуссии о будущем человечества, показы научных фильмов, соревнования роботов, научные бои Science Slam, квизы и квесты, а также первый Виртуальный гипермузей науки.

Нобелевскую премию по химии присудили за метод редактирования генома
РИА Новости: Нобелевскую премию по химии за 2020 год получили Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, разработавшие технологию редактирования генома.

Нобелевская премия за графен, или 10 лет спустя
Алексей Арсенин
О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — заместитель директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидат физико-математических наук Алексей Арсенин

Летние лектории для школьников
ФНМ
Сотрудники Факультета наук о материалах и химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова участвуют в лекториях двух летних школ, организованных Фондом Инфраструктурных и Образовательных Программ (группа РОСНАНО) - Нанограде и летней школе МФТИ.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

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!



 
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.