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

 

Мезоудавчик
Мезоудавчик

Наносистемы: физика, химия, математика (2024, Т. 15, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume15/15-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Наносистемы: физика, химия, математика (2023, Т. 14, № 4)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume14/14-4
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2023 году
коллектив авторов
30 мая - 01 июня пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

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.



 
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.