Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Шероховатость поверхности.
Микрофотография.
Паутина обладает не только большой прочностью, но и имеет выраженные узоры.
Многие горные породы состоят из слоев, причем многослойные прочнее.
Графит — одна из аллотропных модификаций углерода. Он обладает слоистой структурой.
На рисунке мы видим один снимков образца, полученный с помощью сканирующей электронной микроскопии в МИФИ. Хорошо видно, что образец не похож ни на одну графитовую структуру.
Принцип сканирования
Конструкция сканирующего зондового микроскопа NANOEDUCATOR.
Конструкция сканера.
На снимке мы видим, что структура поверхности упорядочено-рельефна.
На этом снимке характерный размер ядер не отличается от ядер на первом снимке, однако отличительным фактором этого скана является возможность оценить расстояние между центрами углеродных зерен.
Данный снимок повторяет картину, увиденную на первых двух. Обособленное ядро на расстоянии 7 микрон от других подобных объектов.
Изготовление японскими мастерами сложносоставных клинков из нескольких частей.
Слоистые ножевые клинки древнерусских кузнецов.
Примером может служить многоэтажный дом, небоскреб, который у своего основания испытывает давление пропорциональное собственному весу.
Нож из дамасской стали. Характерные узоры доказывают слоистость материала.

Морфология прочных углеродных структур

Ключевые слова:  графит, Интернет-олимпиада, проект, улеродные структуры, учителю

Автор(ы): Даниил Андреевич Козлов

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

10 апреля 2011

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/NA=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):

Переход в кластер миникурсов ЗНТШ.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 4)

 


Комментарии
Для себя сделала такой вывод: прочитав, и поняла, что вот она одна из немногих работ, за которые взявшись, человек полностью и с трудолюбием раскрывает тему работы и добивается своей цели!
10 баллов.
Клепа, 12 апреля 2011 18:49 

Можно уточнить, какой именно пирографит использовался для исследований (марка) , в каком устройстве работал?
P.S.Такие повреждения обычно появляются при срыве плазмы.
Антонов Алекс, 27 апреля 2011 10:40 
Во первых- .
Во вторых- для Клепы:
не волнуйтесь, судя по чечевицеобразной структуре, это так называемый ВОПГ, или УПВ1-ТМО.
Корни растут из Исследование измененного поверхностного слоя высокоориентированного....
Хотя там указан УПВ1-Т, это не соответствует действительности: угол разориентации 50 мин, и достигается такая величина только только при ТМО.
Вообще- то, в начале 90тых прошлого столетия увлекались пирографитом как первой стенкой, но потом, естественно отказались.
P.S. УПВ1- ТМО до сих пор рассматривается в качестве модельного и только модельного материала.
Но это же таможне не объяснишь: после такого рода публикаций, как эта, пришлось доказывать, что к нано, токамакам и т.п. не имеешь ну никакого отношения. Дорого встало.

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

 

C Новым Годом!
C Новым Годом!

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.