Публикации: Каталог проектных работ

Актуальность и новизна:

В нашем распоряжении был достаточно интересный образец пиролитического графита, подвергавшегося интенсивному воздействию плазмы в ТОКАМАКе. Также у нас были микрофотографии этого образца, полученные методом сканирующей электронной микроскопии. Представляло интерес понять, каким образом поверхность графита смогла уцелеть при подобных воздействиях. Поэтому нами было проведено сканирование образца с помощью атомно-силового микроскопа. Чтобы увидеть наличие или отсутствие регулярных структур, а при их наличии попытаться объяснить, почему они именно такие.

Цель: найти, сформулировать и объяснить принцип организации наиболее прочных структур.

Задачи:

• Провести сканирование образца
• Набрать статистически достоверные данные о поверхности
• Выделить общие черты устойчивых структур
• Сравнить изображения, полученные АСМ и СЭМ
• Сформулировать принцип, которому подчиняются все наиболее прочные структуры
• Найти отражение этого принципа на других уровнях реализации материи

Основные полученные результаты:

• Найдена структура поверхности пиролитического графита, изрезанного плазмой.
• Показано что она является слоисто-каркасной.
• Предложено качественное объяснение механизма образования таких структур.
• Описано как именно этот принцип реализуется на уровне отдельных молекул, материалов и конструкций, создаваемых человеком.

Введение

На протяжении многих веков одним из главных факторов добротности материалов являлась его прочность. Можно заметить, что некоторые материалы более прочные, нежели другие. Может ли природа сама подсказать нам наиболее прочную структуру? И где нам следует искать ответ?

Паутина паука обладает не только большой прочностью, но и имеет выраженные узоры. Каркас данной незамысловатой структуры обеспечивает равномерное распределение нагрузки на паутину.

Многие горные породы состоят из слоев, причем, многослойные породы всегда прочнее. Далее попытаемся объяснить почему.

Очевидно, что поиск прочных структур целесообразнее начать на наноуровне, так как именно здесь, управляя параметрами, мы можем кардинально менять свойства объектов. Примером служат аллотропные модификации углерода: алмаз и графит их прочность несоизмеримо различны, тем не менее, их химический состав не отличается. В нашем распоряжении был образец графита, прошедший "естественный отбор" плазмой.

Плазма является достаточно регулярным, случайным и мощным воздействием одновременно. При длительном воздействии она может привести к тому, что уцелеют только наиболее прочные углеродные структуры и возможно сформируются новые. В работе мы изучим рельеф поверхности пиролитического графита, подвергавшегося длительному воздействию плазмы, и попробуем увидеть те принципы, согласно которым, организованны «выжившие графитовые структуры».

Графит — одна из аллотропных модификаций углерода. Он обладает слоистой структурой. Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных колец Кеккуле. Межслоевая связь много слабее С-С связи в углеродных кольцах, что является для нас важнейшим свойством данного материала. Кроме того, графит устойчив к радиации, нагреванию и травлению кислотами. Благодаря слабой межслоевой связи, графит гасит радиацию, преобразуя ее в тепловую энергию, легко восстанавливая углеродную связь, образовывая новые структуры.

ТОКАМАК

Именно благодаря этим свойствам графит используют в качестве внутреннего защитного материала в установках ТОКАМАК. Наш образец именно оттуда, поэтому, чтобы реально представлять каким воздействиям он подвергался, хорошо бы представить работу установки.

ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитными КАтушками) – тороидальна установка для управления реакциями термоядерного синтеза на основе создания однороднонаправленного по кольцу магнитного поля для удержания плазмы внутри. Магнитная термоизоляция была предложена И. Е. Таммом и А. Д. Сахаровым в 1950 году для удержания плазменной энергии внутри установки.

Для удержания плазмы используется магнитная экранировка, создаваемая торроидальными катушками, благодаря которым в центре камеры создается «плазменный шнур», внутри которого можно создать сверхвысокие давления и температуры, необходимые для начала реакции термоядерного синтеза. Так как ядерные реакции идут только на очень малых расстояниях, на которые могут сблизиться только ионизированные ядра, обладающие очень высокой кинетической энергией теплового движения.

Соответственно, когда в «плазменном шнуре» начинается реакция, то высвобождающаяся энергия разрывает магнитное поле, и стенки камеры испытывают воздействие радиации и плазмы. Естественно, что стенки камеры изнутри отделываются радиационно-стойким материалом, в нашем случае графитом.

Образец

Изучаемый образец графита, взят из внутренней части камеры, вблизи металлической заклепки, которая крепит графитовый лист к внешнему металлическому каркасу. Воздействие плазмы и электрических зарядов, генерируемых ионами на металлической заклепке, отчетливо видно на нашем образце. При этом интенсивность этого воздействия отличается в зависимости от расстояния от центра до края заклепки. Так как заклепка имела поверхность полусферы, то величина электрического взаимодействия усиливается по краям. Обратная сторона образца представляет собой пиролитический графит, не подвергавшийся деструкции. Таким образом, то, что мы увидим при исследовании данного образца, действительно, можно будет считать «выжившими углеродными структурами» после мощного деструктивного воздействия.

На рисунке мы видим один из снимков образца, полученный с помощью сканирующей электронной микроскопии в МИФИ. Хорошо видно, что образец не похож ни на одну графитовую структуру. Видно, что он сильно изрезан, но вот оценить размеры и поискать упорядоченность в этом кажущемся хаосе, лучше с помощью другого способа изучения поверхности.

АСМ

Почему в данной работе нас заинтересовало сканирование графита именно атомно-силовым микроскопом? Перед началом работы было сформулировано предположение, что изрезанный графит образует углеродную структуру на своей поверхности. Сама структура образует рельеф поверхности, который легко наблюдать при сканировании атомно-силовым микроскопом.

Расскажем немного о приборе и об особенностях съемки данного образца:

Для изучения графитовой поверхности использовался атомно-силовой микроскоп NANOEDUCATOR, произведенный компанией MT-NDT. Прибор основан на фиксировании Ван-дер-ваальсовых взаимодействий, происходящих в момент сближения зонда (вольфрамовой иглы) с поверхностью образца. Так как фиксируются лишь силы, то исследуемый образец не деструктурируется в процессе съемки.

При работе микроскопа зонд закрепляется неподвижно в кантилевер, образец же перемещается относительно него по трем пространственным координатам:

X, Y- в плоскости образца; Z - по вертикали (перпендикулярно плоскости X-Y).

При работе прибора образец движется в плоскости X-Y, построчно, таким образом, что зонд постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом Δ. Этот процесс называется сканированием.

Внешний вид прибора достаточно прост. Зондовый датчик силового взаимодействия состоит из игольчатого зонда, закрепленного на трубчатой пьезоэлектрической консоли – кантилевера, которая, в свою очередь, закреплена на неподвижном основании. Одна часть пьезоэлектрического трубчатого кантилевера используется как пьезовибратор, а другая - как датчик механических колебаний.

К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте электромеханической системы кантилевер-зонд. Кантилевер колеблется вокруг равновесного положения. Амплитуда колебаний при этом максимальна. В процессе колебаний зонд отклоняется от равновесного положения на величину, равную амплитуде его вынужденных механических колебаний (она составляет доли микрона), при этом, на второй части пьезоэлемента (датчике колебаний) возникает переменное электрическое напряжение, пропорциональное смещению зонда.

При приближении зонда к поверхности образца степень взаимодействия увеличивается, а амплитуда колебаний уменьшается на величину. Изменение силы взаимодействия приводит к изменению величины сигнала, снимаемого с датчика.

Сканер – это устройство, перемещающее образец по трем пространственным координатам: X,Y- для перемещения в плоскости образца, Z- для перемещения по направлению к зонду.

Анализ снимков

После того как все снимки исследуемого образца получены, мы сможем их проанализировать. На всех снимках у рельефа поверхности есть ряд общих черт. Прежде всего, мы видим упорядоченные вытянутые структуры, которые расположены рядом друг с другом, являются достаточно вытянутыми и достаточно резко возвышаются над поверхностью, чтобы быть случайными образованиями. В силу того, что они получены в результате деструкции и благодаря их форме, мы можем назвать их слоисто-каркасными структурами и утверждать, что они являются достаточно прочными.

На первом снимке мы видим, что структура поверхности упорядочено-рельефна. Рельеф повторяется на всей поверхности скана, из чего можно сделать вывод, что присутствующая упорядоченность не случайна. Характерная видимая толщина графитовых ядер на данном снимке составляет от 2 до 5 микрометров. Средняя высота 2 микрометра. Длина видимых ядер от 10 до 15 микрометров. Главной отличительной особенностью данного снимка является видимая на сравнительно большой поверхности упорядоченность графитовых ядер.

На втором снимке характерный размер ядер не отличается от ядер на первом снимке, однако отличительным фактором этого скана является возможность оценить расстояние между центрами углеродных зерен. Расстояние между соседними ядрами составляет от 1 до 1,5 микрон. Отдельно обособленное графитовое ядро отстоит от других подобных ядер на 7 микрон.

Третий снимок повторяет картину, увиденную на первых двух. Обособленное ядро на расстоянии 7 микрон от других подобных объектов. Характерный размер не отличается, тем не менее, мы набрали статистически достоверное количество измерений. Теперь мы можем точно утверждать, что структура пиролитического графита, изрезанного плазмой упорядочена, повторяющаяся, слоистая и каркасная.

Попробуем сделать некоторые расчеты:

углеродные ядра на снимках, имеют форму, схожую с формой эллипсоида, значит,

V= 4πabc /3, a=1750нм b=1000нм c=6250нм.

Учитывая половину длины С-С связи равную 0.071 нм, получим объем Vₒ=3.6*10^–4нм³ вблизи одного атома углерода, где не содержится иных атомов. N=V/Vₒ=12.4*10¹³ - Количества атомов углерода в наиболее прочной структуре, не являющейся карасно-упорядоченной.

v=N/N_A=2.06*10^-10моль

m=v*M(C)=2.5*10^-9кг

m – масса, наблюдаемого нами, углеродного ядра.

1) абсолютно точно можно утверждать, что мы не первые формулируем данный принцип прочности материалов, однако, исследовав необычный на первый взгляд образец, мы не можем не заметить отражения в нем сформулированной в очередной раз концепции прочности каркасно-слоистых структур, в частности, на изрезанном плазмой графите.

2) было бы крайне неверно утверждать, что наблюдаемый нами принцип находит свое отражение лишь в мире нанообъектов. Также неверно утверждать и то, что более мелкие структуры не способны обладать соизмеримой прочностью. Формулируя данный принцип, мы не ограничиваем масштаб его действия, а значит, мы можем найти его отражение на других масштабах организации вещества.

Принципы, сформулированные в предыдущих пунктах можно наблюдать на различных ступенях организации вещества. На молекулярном уровне мы можем найти каркасные упорядоченные структуры нанотрубок и фуллеренов. Благодаря большой поверхностной энергии, данные структуры имеют большую прочность. Кроме того однослойные нанотрубки упругие, что делает их отличным содержимым композитных материалов.

На уровне реализации материалов данный принцип был известен многие столетия назад. Понятие композитных материалов появилось лишь в XX веке, однако еще древние японские и древнерусские кузнецы знали о том, что прочность многослойной стали на порядок выше прочности однородного вещества. Многослойность обладает и другими немаловажными особенностями – чередование различных видов стали с железом снижает вибрацию, что делает клинки из композитных материалов подобного рода значительно устойчивее к деструкции.

Слоистые ножевые клинки древнерусских кузнецов.

1. Сварка клинка ножа из трех полос: в середине стальная, а по бокам железные.
2. Наварка стального лезвия на железную основу клинка.
3. Комбинированная сварка: узорчатое составное из нескольких пластин стали и железа тело клинка, стальное лезвие и железный обух.
4. Цементация железного клинка.
5. Ковка цельностального клинка.

Последние два способа к композитным клинкам не относятся.

Такой объем усилий и уровень технологий вполне объясним, когда от результата зависит твоя жизнь, как в случае с боевыми клинками!

Рассмотрим макромир с макрообъектами, не погружаясь в структуру веществ. Здесь мы можем найти много отражений принципа прочности слоисто-каркасных структур. Примером может служить многоэтажный дом, небоскреб, который у своего основания испытывает давление пропорциональное собственному весу, наверху же потоки воздушных масс отклоняют его с силой, пропорциональной боковой поверхности, что создает значительные трудности при проектировании подобных объектов. Что же заставляет небоскребы удерживать подобные нагрузки? При постройке подобных сооружений первым делом строится прочный стальной каркас, что делает данную структуру наиболее прочной.

В таком каркасе достигается оптимальное сочетание жесткости и гибкости конструкции при минимальном весе, поскольку если бы башня была монолитной, то она бы упала под собственным весом.

С развитием нанотехнологий человечество научилось синтезировать нанотрубки и фуллерены (каркасные молекулы). Зная, что они обладают большой поверхностной энергией, было предложено армировать ими различные «вязкие матрицы», к примеру, сталь. Позже было замечено, что сталь, армированная каркасными молекулами, обладает прочностью в сотни раз превышающую первоначальную прочность, без существенного изменения массы. Данный факт подтверждает сформулированную нами концепцию организации структуры прочных материалов, а так же находит непосредственное применение в повседневной жизни.

Хоть синтез нанотрубок стал известен человечеству лишь в XX веке, это не означает того, что прочные материалы раньше не синтезировались. Думаю, здесь будет уместно вспомнить о дамасской стали, которая уже в XVI веке отличалась от других материалов прочностью, на порядок превосходящую прочность подобных материалов. В чем же секрет подобной стали? При современном сканировании выяснилось, что данная сталь идеально подходит к сформулированному нами принципу.

Оказалось, что клинок XVI века содержит многослойные углеродные нанотрубки, заполненные Fe2C (карбидом железа), причем при выплавке сталь сворачивали несколько раз, делая ее многослойной. Уже в современном мире мы можем сказать, что данная структура является одной из самых прочных возможных структур внутренней организации вещества.

Более того, в ней мы видим, как сформулированный нами принцип, реализован сразу на нескольких масштабах, от молекул к композитным материалам, слоистой организации стали. А также использование стали с разными свойствами в разных частях конструкции.

Выводы

В ходе проведенной работы было сделано несколько немаловажных выводов. Историческая хроника совместно с результатом экспериментов дала наиболее достоверную картину отражения данного принципа.

Из результатов проведенного эксперимента, мы с достаточной статистической достоверностью можем утверждать принцип слоистости.

В том, что данные структуры являются наиболее прочными, мы можем убедиться, изучая историю происхождения образца. Так как упорядоченность слоев наблюдалась на всех сканах, то случайный фактор сводится на нет, что доказывает прочность слоистых материалов. На снимках мы оценили характерный размер частиц. Из полученных результатов мы можем найти количество атомов углерода в наиболее прочном углеродном объекте, не являющемся упорядочено-каркасной структурой. Это N=12.4*10 ¹³ атомов углерода.

С химической точки зрения образец, конечно, остался углеродным. Про тип гибридизации углерода в получившихся зернах нам достоверно не известен. Это могут быть и отожженные графитовые плоскости, и куски каркасно-углеродных молекул.

Мы можем предположить, что при таком интенсивном воздействии, на короткие промежутки времени разрываются С-С связи, при этом, эффективные температуры, т.е. энергии которыми обладают атомы, достаточно велики для образования каркасных структур. Фактически, у нас есть прочная структура, небольшие части которой переходят в состояние близкое к плазме и реформируют поверхность, благодаря чему и образуются те структуры, которые мы наблюдаем.

Благодаря прямым наблюдениям мы можем более уверенно говорить о наблюдаемом принципе, обнаружить его, как в экзотических, так и в давно известных образцах и материалах. Кроме того, наблюдая его на различных уровнях организации вещества, можем увидеть вложенную реализацию этого принципа. Полученная многомасштабная картина в очередной раз убеждает нас в том, что природа экономна, когда речь идет о количестве используемых ею принципов; что за междисциплинарным подходом к исследованиям - будущее, а физика - самый лаконичный способ увидеть красоту.

Мой вклад в данную работу:

Нельзя сказать, что раньше мне не нравилась физика, как наука. Уже несколько лет я являюсь участником физических олимпиад разного уровня, но ощутить непосредственное соприкосновение с современной наукой я смог лишь выполняя данную работу. Во время выполнения работы я столкнулся с одной проблемой, которая была необъяснима для меня, а именно: почему структура упорядочена. Чтобы ответить на этот вопрос, пришлось руководствоваться не только логикой, но и проявить некую фантазию. Многие факты в работе мне были не известны, но основываясь на логичных предположениях вполне возможно доказать полную картину происходящего.

Я считаю, что проделанную работу можно считать успешной потому, что с её помощью я затронул другие интересные темы.

Список литературы:

1) www.bestbulat.ru/

2) PSE-2008 NANOSTRUCTURIZED SURFACE OF GRAPHITE FORMED UNDER PLASMA IMPACT А. Pisarev, N. Trifonov, I. Sychougov, B.Emmoth

3)http://ru.wikipedia.org/wiki/Термоядерная_реакция

Номер в каталоге: 27

Классификатор (предмет): физика

Область знания: методы исследования наноструктур

Тип работы: исследовательская работа под руководством ВУЗа

Другие работы кластера "Каталог проектных работ" (гипертекстовый навигатор):

• 1. Носители лекарственных препаратов на основе природных полимеров, Шарип Айгуль (10 класс, Карагандинская областная специализированная школа-интернат для одаренных детей)
• 2. Изучение токсического действия суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (Fe3O4) на организм мыши, Павел Михайлович Павлушин (11 класс, гимназия 10, г. Новосибирск)
• 3. Новые материалы на основе нанолент оксида ванадия и графена для положительных электродов литиевых батарей, Евгения Михайловна Бовина (11 класс, гимназия 1515, г. Москва)
• 4. Исследование роста кристаллитов оксида вольфрама в ходе химического осаждения из газовой фазы, Анна Николаевна Федотова (11 класс, лицей 1511, г. Москва)
• 5. Исследование влияния внешних условий на формирование карбонатных ядер, используемых для инкапсулирования лекарственных препаратов, Юлия Павловна Соколова (10 класс, Аничков лицей, Санкт - Петербург)
• 6. Изучение свойств субмикронных органических пленок и разработка химического наносенсора на их основе, Руслан Рафаэлевич Балтин (11 класс, МОУ СОШ 58, г.Уфа)
• 7. Биохимическая активность силикатных частиц, модифицированных аминогруппами, по отношению к системе индуцируемая протеиназа Сandida albicans – гемоглобин, Галаутдинова Диана (11 класс, гимназия 7, г.Казань),
• 8. Система поддержки экспериментов с клеточными культурами, Наталья Сергеевна Николаева (11 класс, Лицей Информационных Технологий, г. Москва)
• 9. Получение наночастиц серебра методами «зеленой химии» и исследование их противогрибковой активности и антибактериальных свойств, Елизавета Александровна Никитина (11 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 10. Изучение изменений структуры крови человека, Дарья Сергеевна Петрова (10 класс, лицей г. Лесной, Свердловская область)
• 11. Получение пленок наночастиц CdSe/ZnS, Кириллов Александр, Кучеров Максим, Латышев Евгений, Ломоносов Владислав, Парамонов Александр, Федорченко Кристина (гимназия 1583, г.Москва)
• 12. Автономный источник электроэнергии для частного дома, Илназ Алмазович Мингазов (9 класс, МОУ СОШ 1, с. Кутлушкино, Татарстан)
• 13. Нано в природе и медицине, Кирилл Владимирович Заяц (7 класс, СОШ 12, г. Одинцово),
• 14. Соединения включения катионов металлов в наноструктуры амилозы, Игорь Андреевич Иванов (11 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 15. Размышления в тиши гармонии наук, Петр Киволи (8 класс, лицей 1575, г.Москва)
• 16. Исследование физических свойств кутикулы волоса человека, Ольга Степановна Иджилова (9 класс, лицей 4, г.Таганрог)
• 17. Изменение рельефа поверхности тефлона при термической обработке с помощью атомно-силовой микроскопии, Анастасия Дмитриевна Левченко (11 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 18. Оптический датчик магнитного поля, Владимир Владимирович Ефремов, Л.Н.Нам (10 класс, СОШ 725, г. Москва)
• 19. Путешествие в будущее, Мария Александровна Лабендик (8 класс, СОШ 13, г.Полевской, Свердловская обл.)
• 20. Наноновинки в одном футляре, Михаил Александрович Лабендик (5 класс, СОШ 14, г.Полевской, Свердловская обл.)
• 21. Изучение слоистой структуры в сегнетовой соли, Владимир Михайлович Сидоров (11 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 22. Вспенивающийся огнезащитный материал, Оксана Ярославовна Круглик (10 класс, гимназия 3, г. Дзержинск, Беларусь)
• 23. Энергосберегающее стекло, Ирина Владимировна Лабутина (9 класс, СОШ 1, с. Зелёновка, Пензенская обл.)
• 24. Перспективы применения наноалмазов в медицине, Денис Владимирович Завацкий (8 класс, СОШ 37, г. Москва)
• 25. Борьба с нефтяными пятнами, Алексей Владимирович Мальков, Тимофей Панфилов (9 класс, СОШ 1, с. Зелёновка, Пензенская обл.)
• 26. Коллоидные растворы в быту или о пользе киселя и чая, София Дмитриевна Логвинова (7 класс, лицей 1575, г. Москва)
• 28. Магнитная жидкость: опять и снова, но интересно..., Елизавета Александровна Никитина (10 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 29. Магнитная жидкость и ее свойства, Норкин Максим Владимирович (11 класс, СОШ 60, г. Набережные Челны)
• 30. Школьная газета "Физикон"
• 31. НАНОЗНАЙКА: поверхностно-активные вещества, Елизавета Александровна Никитина (9 класс, лицей 1586, г.Москва)

Переход в кластер миникурсов ЗНТШ.