Функциональные наноматериалы. (Лекция 1)

Направленность курса:
изучение наиболее общих физико-химических закономерностей, явлений и процессов, формирующих

Структура раздела «Функциональные неорганические материалы»

Фазовые равновесия
1,2 и 3-х компонентных систем.
Язык

Материал – вещество, отвечающее тем или иным требованиям его применения.

Разработка

Материалы определяют уровень цивилизаций.

Периодизация истории человечества :
Каменный век Бронзовый век Железный

Важнейшие материалы, формировавшие облик цивилизации

Строительство:
Глина
Камень
Бетон
Дерево

Важнейшие материалы, изменившие жизнь человечества

Военное дело:
Порох
Динамит
Ядерное

Важнейшие материалы, изменившие жизнь человечества
Передача и хранение информации:
Глина

Особенность современного материаловедения –
разработка материалов для решения конкретной задачи.

Полупроводниковый кремний – важнейший материал современности и будущего

Динамика производства чистого кремния

Солнечные панели на основе монокристаллического и поликристаллического кремния

Получение монокристаллического кремния для микроэлектроники методом Чохральского

«Сырой» кремний

Кварцевый тигель

Расплав кремния

Полученный

Монокристалл кремния

Получение поликристаллического кремния для солнечных батарей

«Сырой» кремний

Кварцевый тигель с расплавом

Пластина поликристалли-ческого солнечного кремния толщиной 50 мкм и размером 125 х

Вытягивание из расплава лент поликристаллического кремния для солнечной энергетики

Ориентированные кремниевые пленки на металлической подложке

[001]

[001]

Зависимость эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую от размера зерен поликристаллического

Самолет с электрическим двигателем, работающим от солнечных батарей

12 000 фотоэлементов, вмонтированных

Самолет SolarImpulse, впервые перелетевший Америку, «питаясь» только энергией Солнца

http://www.bbc.co.uk/russian/science/2013/07/130707_solar_plane_completion.shtml
Модель 2:http://www.gazeta.ru/science/video/samolet_na_solnechnyh_batareyah.shtml

Стратегия создания новых материалов основана на систематических исследованиях взаимосвязей:

Состав

Структура

Способ и условия

Стратегия создания новых материалов основана на систематических исследованиях взаимосвязей:

Состав

Структура

Свойство

«Подход технолога»

Стратегия создания новых материалов основана на систематических исследованиях взаимосвязей:

Состав

Структура

Свойство

«Подход химика-синтетика»

Стратегия создания новых материалов основана на систематических исследованиях взаимосвязей:

Состав

Структура

Свойство

«Подход физика»

Современное понимание термина «состав»

Элементный состав
Стехиометрия
Нестехиометрия
Однородность состава
Тип и концентрация

Что понимают под термином «структура»?

Атомная и электронная структура
Кристаллическая структура
Структура дефектов
Наноструктура
Микроструктура
Мезоструктура
Структура поверхности

Свойства материалов

Химические (реакционная способность, каталитические св-ва).
Физические
Механические
Электрические
Магнитные и их комбинации
Оптические
Радиационные
Биологические ( биосовместимость,

Свойства

Структурно-
Нечувствительные
(фундаментальные)

Структурно-
чувствительные

и

Структурно-нечувствительные свойства
теплоемкость
упругость пара
электродвижущая сила
коэффициент теплового расширения
 критическая температура сверхпроводников
……..

Структурно-чувствительные свойства
 предел прочности
теплопроводность
электропроводность
скорость распространения звука
магнитная индукция
сегнетоэлектрическая

Структурно-чувствuтельные свойства связаны с перемещением атомов, носителей электрических зарядов (электронов,

Электропроводность – пример структурно-чувствительного свойства.

Электропроводность –зависит не только от:
фундаментальных свойств составляющих

Анизотропия критического тока
высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-x

Плоскости
[CuO2]

Тс ~ 92 К

Y

Ba

Jc резко зависит от угла разориентации зерен высокотемпературного сверхпроводника

Микроструктура керамики сверхпроводника YBa2Cu3O7-x

Тс ~ 92 К
Jc:
в керамике ~ 101-103

Морфология поверхности пленки
YBа2Cu3O7-х

Зерна а-ориентированной фазы YBaCuO

Микропоры

Свойства наноматериалов структурно-чувствительны:
структурная чувствительность свойств наноматериалов определяется огромной концентрацией границ

Измерение параметра решетки при изменении размера наночастиц

TiC

MgO

M. Fukuhara.

Изменение температур плавления нановеществ в зависимости от размеров частиц

Изменение температуры
плавления

Материалы

Равновесные

Неравновесные

Примеры неравновесных материалов, метастабильных при н.у. в окружающей атмосфере
1. Стекла
2. Аморфные

Равновесная фазовая диаграмма системы - ключ к пониманию особенностей материала и