Нелинейность как свойство микро и наномира реферат
Обновлено: 02.07.2024
Аннотация
Целью данной работы является рассмотрение проблемы измерения в квантовой механике и наномире.
The purpose of this work is to overview the measurement problem in quantum mechanics and the nanoworld.
Проблема измерения актуальна для любой физической теории. В квантовой механике она сопровождалась актуальным проблемным обсуждением. Это объясняется резким отличием классического и квантово-механического понимания феномена измерения. Эта проблема всегда присутствовала в квантовой теории, но никогда не мешала ей развиваться и описывать микромир с изумительной точностью.
В классической механике измерение понимается как фиксация значений некоторых параметров, которые существуют до процесса измерения. Понимание процесса измерения при этом, как правило, не сопрягается с основаниями теории, в частности с ее принципами.
А в релятивистской механике измерение осмысливается именно в контексте ее принципов. В результате вся проблема измерения предстала в новом свете, насыщенном концептуальными тонкостями. Именно это обстоятельство вызвало наибольшее удивление. И в специальной теории относительности, и в теории тяготения процесс измерения понимается динамически, что также немаловажно. Именно в процессе измерения волновая функция проявляет свою вероятностную природу, и проявляется необратимость, свойственная квантовой механике. Состояние системы меняется скачком, и после измерения мы с некоторыми вероятностями имеем разные волновые функции и различные результаты измерения.
Поскольку данный процесс существенно нелокален, а из мгновенности изменения следует распространение взаимодействий быстрее скорости света, то считается, что он является не физическим процессом, а математическим приёмом описания.
Результаты измерения интерпретируются как значения физической величины, которой ставится в соответствие эрмитов оператор физической величины, называемый традиционно наблюдаемой.
Квантовая наблюдаемая (наблюдаемая квантовой системы, иногда просто наблюдаемая) является линейным самосопряжённым оператором, действующим на сепарабельном (комплексном) гильбертовом пространстве чистых состояний квантовой системы. В интуитивном физическом понимании норма оператора наблюдаемой представляет собой наибольшую абсолютную величину измеряемого числового значения физической величины.
Чистое состояние — это полностью указанное квантовое состояние. Если данный квантовый объект (например, какая-то элементарная частица) находится в чистом состоянии, это означает, что у нас есть вся информация о ней. Только чистые состояния полностью можно описать волновыми функциями.
Сами значения измерений являются собственными значениями этих операторов, а после проведения селективного измерения (то есть измерения, результат которого известен экспериментатору) состояние системы оказывается в соответственном полученному значению собственном подпространстве, что называется редукцией фон Неймана.
Редукция фон Неймана (редукция или коллапс волновой функции) — мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении.
Спектр оператора — множество чисел, характеризующее линейный оператор.
Пример: собственными значениями оператора проекции спина частицы со спином 1/2 на произвольное направление являются только величины , поэтому в эксперименте Штерна — Герлаха пучок таких частиц разделится только на два — не больше и не меньше — пучка с положительной и отрицательной проекцией спина на направление градиента магнитного поля.
Если же результат измерения остался неизвестным экспериментатору (такое измерение называют неселективным), то квантовая система переходит в состояние, которое в общем случае описывается матрицей плотности (даже если исходное состояние было чистым), диагональной в базисе оператора измеренной физической величины, причём величина каждого из диагональных элементов в этом базисе равна вероятности соответствующего исхода измерения.
Матрица плотности (оператор плотности, оператор матрица плотности, статистический оператор) — один из способов описания состояния квантовомеханической системы. В отличие от волновой функции, пригодной лишь для описания чистых состояний, оператор плотности в равной мере может задавать как чистые, так и смешанные состояния
Поскольку данный процесс существенно нелокален, а из мгновенности изменения следует распространение взаимодействий быстрее скорости света, то считается, что он является не физическим процессом, а математическим приёмом описания.
О проблеме измерения в квантовой механике и наномире
Суть проблемы измерения в следующем. Квантово-механическое описание природы состоит в применении двух последовательных процедур. Первая из которых, – это сопоставление квантово-механической системе волновой комплекснозначной, непрерывной функции. Эта процедура дает полностью детерминистическую эволюцию этой функции во времени.
Вторая процедура – т.н. редукция (схлопывание, коллапс) полностью недетерминистична и позволяет рассчитать лишь вероятности тех или иных состояний системы в момент измерения. И ранее существовала точка зрения, о том, что процесс измерения связан с сознанием наблюдателя.
В квантовой механике исходят из положения, что измерение квантовой системы регистрируют всякий раз собственные значения собственных операторов. Однако ситуация сильно усложняется в случае прямого учета принципа суперпозиции. В таком случае придется оперировать набором волновых функций.
Процедура измерения— единственное место в стандартной квантовой механике, которое вносит в теорию вероятности и необратимость. При унитарной эволюции переход от начального состояния к конечному описывается обратимыми операторами, а значит всегда можно восстановить по конечному состоянию начальное. При измерении иначе: состояние после измерения всегда получается из состояния до измерения с помощью необратимого оператора (проектора), случайным образом выбираемого из некоторого набора. Влияние измерения на состояние системы неизбежно в квантовой механике. Это накладывает принципиальные ограничения на точность при одновременном измерении различных величин (соотношения неопределённостей).
Говоря об этой проблеме необходимо отметить, что микрообъекты настолько чувствительны, что при измерении невозможно достичь одного из фундаментальных принципов – принципа нейтральности измерения. Этот принцип нарушается на квантовом уровне. Потому что для исследования элементарных частиц, для их регистрации, на них нужно воздействовать только элементарными частицами. Никаких других способов нет[1].
Исторические этапы осмысления квантово-механического измерения
В осмыслении квантово-механического измерения отчетливо выделяются, по крайней мере, два этапа. В центре первого из них стоял концепт относительности к средствам наблюдения. Второй же этап теснее всего связан с концептом декогеренции.
Героями первого этапа были Эйнштейн, Бор и Гейзенберг. Согласно Эйнштейну измеряется то, что существует объективно, до процесса измерения; результат измерения не создается. Согласно Бору, поведение квантовых объектов нельзя отделить от измерительных приборов. Наиболее же радикальную позицию занимал Гейзенберг: в теорию должны входить лишь те переменные, которые фиксируются в эксперименте.
Второй этап знаменовали собой работы по декогеренции. Решающие успехи были достигнуты в 1980-х гг. благодаря работам немецкого физика Д. Цее, поляка В. Зурека, а также нашего соотечественника М. Б. Менского. Все трое пришли к сходным выводам. М. Б. Менский подчеркивает, что в настоящее время можно выяснить в деталях поведение как измеряемой системы, так и прибора. "До предела упрощая ситуацию, можно сказать следующее. При измерении происходит выбор одной из альтернатив. Мы хорошо знаем, что происходит при выборе одной из альтернатив, и можем вычислить вероятность каждой из них. Однако остается непонятным, как и почему осуществляется выбор"[2].
Существует множество подходов к непротиворечивому объяснению феномена редукции (коллапса) волновой функции. С наиболее содержательных позиций выступают сторонники концепции декогеренции.
Декогере́нция — это процесс нарушения когерентности, вызываемый взаимодействием квантовомеханической системы с окружающей средой посредством необратимого, с точки зрения термодинамики, процесса. Во время протекания этого процесса у самой системы появляются классические черты, которые соответствуют информации, имеющейся в окружающей среде. То есть система смешивается или запутывается с окружающей средой.
Последовательное использование концептуального аппарата квантовой механики позволяет не только объяснить эволюцию чистого состояния, но и объяснить переход от чистого состояния к матрице плотности смешанного состояния, которую обычно как раз и соотносят с редуцированным состоянием. Его возникновение определяется реальной динамикой процессов, а не сознанием экспериментатора. Декогеренция приводит к подавлению интерференционных процессов. Математически это означает, что недиагональные члены матрицы уничтожают друг друга. Но ничего подобного не происходит с диагональными членами. При переходе от чистого к коррелированному и далее к смешанному состоянию они сохраняются. Как раз эти члены ответственны за результаты измерений. Таким образом, концепция декогеренции позволяет непротиворечиво объяснить парадокс редукции волновой функции. Строго говоря, нет никакого коллапса волновой функции, а есть переход от запутанного состояния к смешанному. Все его параметры, в частности время перехода, могут быть подсчитаны и определены экспериментально. При этом не возникает никаких противоречий со специальной теорией относительности[3].
Эрвин Шрёдингер откликнулся в 1935 г. на статью Эйнштейна, Подольского, Розена. Он согласился с ними, что квантовая механика неполна. Три автора рассматривали, по сути, запутанность состояний микрообъектов. Шрёдингер, продолжая их логику, рассмотрел запутанность состояния микро- и макрообъектов. Кот находится в ящике вместе с радиоактивным атомом, распад которого приводит к разрушению колбы с ядом. В момент времени, сравнимый с периодом полураспада атома, кот должен находиться в суперпозиции мертвого и живого кота. Но таковую пока никто не наблюдал. Теория когеренции позволяет объяснить ситуацию с котом[4].
В качестве более наглядного примера можно привести следующую модель. Предположим, что нужно изучить как движется бильярдный шар после столкновения можно использовать быструю съемку (фотографическую) или киносъемку. Фотографирование можно представить как бомбардирование фотонами этого шара, они отражаются в камеру и дают изображение. Фотоны при своем движении имеют очень малые импульсы относительно импульса обычного бильярдного шара во время его движения. А теперь необходимо этими же фотонами или иными элементарными частицами (поскольку других способов нет) регистрировать эти же самые элементарные частицы. Это можно сравнить с регистрацией бильярдного шара сравнительно такими же бильярдными шарами. То есть теперь возможно получить информацию о бильярдных шарах только на основе их столкновения с другими бильярдными шарами. Но поскольку они уже равны, по большому счету, по массе, то, когда они будут сталкиваться, наблюдающий шар изменит траекторию движения наблюдаемого шара. В этом плане, можно получать информацию только о самом процессе взаимодействия одного шара с другим.
список использованных источников
2. Менский М. Б. Явление декогеренции и теория непрерывных квантовых измерений // Успехи физических наук. 1998. Т. 168. № 9. С. 1034.2.
4. Менский М. Б. Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и новые формулировки старых вопросов // Успехи физических наук. 2000. Т. 170. №6. С. 639.
Многие процессы, характерные для наномира, происходят в условиях далеких от равновесного состояния, а объекты наномира чаще всего представляют собой открытые системы, обменивающиеся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Вследствие этого для описания процессов и физических явлений, протекающих в наномире, приходится использовать аппарат нелинейной динамики, а для исследования объектов наномира использовать понятия и методы фрактальной физики. Одними из наиболее интересных объектов нанотехнологии являются фрактальные наноразмерные пленки(ФНРП), свойства которых отличаются от свойств обычных наноразмерных пленок, что открывает большие перспективы для их использования в технике и технологии.
Фрактальные структуры получают в открытых нелинейных динамических системах в условиях, далеких от равновесного состояния, например, с помощью метода магнетронного ионного распыления при определенных условиях. Полученные в неравновесных условиях после прекращения технологического процесса такие структуры стремятся к равновесному состоянию, вследствие чего в них продолжается процесс их эволюции. Для получения ФНРП был выбран метод ионного магнетронного распыления, как наиболее полно отвечающий перечисленным выше требованиям. Поскольку необходимым условием является получение пленок в условиях, далеких от равновесия, то на поверхности подложки, на которую напыляется ФНРП необходимо создать требуемые условия[4]. Действие ионного магнетронного распыления основано на распылении поверхности катода-мишени ускоренными ионами, образующимися в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, и формировании потоков атомов материала мишени в направлении поверхности, на которую осаждается покрытие[5].
Нелинейность в различных средах.
Важные особенности поведения нелинейных систем проявляются в случае возбуждения в них колебаний. Это находит свое отражение в нелинейной оптике. Общей чертой нелинейных оптических явлений выступает зависимость характера их протекания от интенсивности света. Сильное световое поле меняет характер среды, что и обуславливает изменение характера оптических явлений. Развитие нелинейной оптики (лазеры) положило начало нелинейной физики в целом. Так для объяснения акустических эффектов в среде используется представления о нелинейных явлениях электронного происхождения. При низких температурах электроны проводимости играют в акустических эффектах определяющую роль, причем нелинейности, обусловленные взаимодействием звуковой волны с электронами, проявляют себя при малых интенсивностях звука. В данном случае нелинейные эффекты связаны с явлением захвата электронов проводимости периодическим полем звуковой волны и как следствие наблюдается целый ряд новых нелинейных эффектов, таких как звукоэлектрический эффект, возникающий в результате возникновения постоянного тока из-за увлечения электронов проводимости звуковой волной[6].
Нелинейность турбулентного движения.
Нелинейным оказывается и процесс турбулентного движения, например потоков жидкости или газа. Оно возникает из ламинарного движения при достижении скорости потока определенного значения. Такой вывод основан на смешении понятий сложности и хаотичности. При наблюдении турбулентного движения проявляется именно сложность движения. А степень хаотичности определяется соответствующим критерием. Традиционно им является критерий Рейнольдса:
Где v – скорость потока; d – характерный размер, например диаметр трубы; ν – вязкость жидкости. Если Re 2300 поток становится турбулентным[8].
Один из красивейших проявлений нелинейного мира — солитон. Его классическим примером является бегущая одногорбая волна на воде. Наиболее яркий их представитель — цунами. Главной особенностью солитона является неизменность его профиля (т. е. вида, очертания) в процессе распространения. Как правило, это обусловлено притоком энергии извне. Поэтому такая волна имеет место в открытых системах. К тому же система должна быть нелинейной. Таким образом, солитон — нелинейная уединенная волна.
Впервые одиночную волну на воде описал в 1834 г. шотландский инженер и кораблестроитель Дж. С. Рассел. Такой объект именуется классическим солитоном. Он — одномерный. Солитоны бывают двухмерными. К ним относится, например, циклон. Чаще солитоны существуют благодаря притоку энергии, и поэтому их называют диссипативными.
Оказалось, что солитон имеет место в микромире. Одиночные электромагнитные волны элементарных частиц, распространяются не прямолинейно, а вращаются, образуя кольцеобразные микроструктуры. Такое сходство формы вращающихся одиночных электромагнитных волн с солитонами явилось основанием для названия теории, описывающей это ранее не известное свойство электромагнитного поля. Согласно этой теории внешние и внутренние поля положительных и отрицательных солитонов имеют противоположные направления. Эти два вида резонансов, отличающиеся только направлениями полей, являются простейшими частицами и античастицами вещества (например, электрон и его античастица – позитрон). Именно из этих двух видов солитонов с противоположными направлениями полей образуются все элементарные частицы[7].
Анализ понятия наноматериалов. Отличие свойств малых дисперсных частиц от свойств массивного материала. Изучение наноматериалов в зависимости от характерных размеров структурных элементов, химического состава и распределения фаз, физических явлений.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.12.2019 |
| Размер файла | 492,1 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
Кафедра технологии машиностроения
1. Понятие наноматериалов
2. Особенности свойств наноматериалов
Введение
В последние годы в России исследование субмикронных и наноматериалов получило интенсивное развитие благодаря существующим и потенциальным применениям во многих областях промышленности, в том числе в металлообработке, электронике, электротехнике и т.д. Для удовлетворения технических и технологических требований в указанных областях, размер структурных элементов необходимо уменьшить до субмикронного или нанометрового масштаба. При уменьшении размера структурного элемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют, отличные от массивного, новые физико-механические свойства. Изучение наноразмерных структур (наноструктур) относится к направлению нанотехнологии. Важными составляющими этого научно-технического направления являются разработка и изучение наноструктурных материалов, исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях.
1. Понятие наноматериалов
Современные наноматериалы представлены как наночастицами (нульмерные, одномерные, двумерные и трёхмерные структуры), так и наноструктурированными объектами, которые представляют собой объёмный макрообъект собранный из наночастиц либо с внедрёнными и/или сформированными внутри него. Подобные наноматериалы получают различными методами нанотехнологий, которые позволяют манипулировать веществом на ноноуровне, что даёт возможность управлять процессами в молекулярном и атомарном масштабе.
Отличие свойств малых дисперсных частиц от свойств массивного материала давно известно и используется в различных областях техники, это применение аэрозолей, красящих пигментов, получение цветных стёкол благодаря их окрашиванию коллоидными частицами металлов. Особый интерес вызывают наноструктурированные материалы, поскольку обнаружилось, в частности у металлов, что уменьшение размера структурных элементов (частиц, кристаллов, зёрен) ниже некоторой предельной величины может приводить к существенному изменению их свойств. Такие эффекты отчетливо проявляются при размере зерна менее 100 нм. Свойства изолированных наночастиц в дисперсном или компактированном виде обусловлены тем, что их размеры соизмеримы с характерным масштабом того или иного физического явления (длины свободного пробега электронов, длины волны упругих колебаний, размер магнитного домена, диаметром петли Франка-Рида для скольжения дислокаций и др.). [ 2 ]
Область наноразмерного масштаба с размерами частиц от 1 до 100 атомных диаметров, которые и определяют свойства материала, является предметом научного исследования, в одну из задач которого входит установление связей между свойствами и структурой материала.
Общепринятым определением нанообъектов является положение о том, что к ним относятся такие объекты, размеры которых хотя бы в одном из пространственных направлений составляют примерно 0,1 - 100 нм, (малоразмерные объекты). Объекты, имеющие размеры менее 100 нм могут быть разделены на нульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы (порошки)), одномерные (квантовые проводники, нанотрубки), двумерные (тонкие пленки, поверхности разделов) и трехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры) по количеству направлений в которых линейные размеры превышают 100 нм. Соответствующий размерный подход применим и к наноструктурам, где речь идет о структурных элементах. Из вышеперечисленного видно, что различные наноматериалы и наноструктуры значительно различаются как по технологии изготовления, так и по функциональным признакам, но их объединяет характерный малый размер элементов (частиц, зерен, трубок, пор), определяющий структуру и свойства.
В настоящее время существует несколько классификаций наноматериалов в зависимости от характерных размеров структурных элементов, химического состава и распределения фаз, физических явлений, особенности свойств и функционального назначения. Поскольку особенности свойств наноматериалов связаны именно с их структурными размерами, то интересной представляется геометрическая классификация Р. Зигеля (рис. 1), согласно которой наноматериалы подразделяются по степени структурной сложности на нанодисперсии (атомные кластеры и наночастицы) и наноструктурные материалы, такие как: многослойные наноматериалы, наноструктурные покрытия и объёмные наноструктурные материалы. [ 3 ]
Нанодисперсии представляют собой наноразмерные комплексы определенным образом взаимосвязанных атомов или молекул распределённые в однородкой среде (газе, жидкости или твёрдом теле) и изолированные один от другого. Расстояния между включениями могут составлять от десятков нанометров до долей нанометоров (для нанопорошков).
наноматериал состав химический
Рисунок 1. Классификация наноматериалов по Р. Зигелю:
0-атомные кластеры и наночастицы; 1-многослойные материалы;
2-наноструктурные покрытия; 3-объёмные наноструктурные материалы.
Важным фактором, действующим в наноматериалах является склонность к появлению кластеров, которые являются промежуточным звеном между изолированными атомами (молекулами) и массивным (объёмным) телом. Переход от прерывистого электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к непрерывному для отдельных зон электронному энергетическому спектру, характерному для твёрдых тел, происходит через атомные кластеры. Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, и наличие сил притяжения между ними, которые для наноматериалов больше по сравнению с массивными материалами, часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур на подложке. [ 3, 8 ]
Кластер представляет собой группу из счётного и переменного количества взаимодействующих атомов. Свойства кластера зависят от количества составляющих его атомов, но эта зависимость не носит постоянно изменяющийся характер, то есть существует некоторое максимальное количество атомов в кластере когда добавление ещё одного атома не изменяет свойства кластера. В нанокристаллических дисперсных и объёмных материалах такая зависимость свойств отсутствует, но появляется зависимость свойств от размеров частиц (зёрен, кристаллитов) и/или пор. Например, частица никеля становится бездислокационной (механические свойства) при диаметре 140 нм и однодоменной (магнитные свойства) при диаметре 60 нм. [ 1 ]
2. Особенности свойств наноматериалов
Свойства наночастиц (кластеров и порошков) оказывают существенное влияние на формирование свойств материалов, элементами структуры которых они являются. Так кластеры и наноматериалы на их основе обладают рядом особенностей, приводящих к изменению их оптических, магнитных и электропроводящих свойств. Нанометровый размер приводит к дополнению зонной структуры отдельными электронными уровнями, и влияние поверхности кластера ограничивает длину свободного пробега носителей. Это приводит к изменению правил отбора, появлению новых оптических переходов, изменению энергии переходов, изменению времени флуоресценции и люминесценции, увеличению силы осцилляторов. Важным фактором, определяющим свойства наноматериалов, является влияние матрицы нахождения кластера. Упорядочение нанокластеров в матрице дает возможность создания фотонных кристаллов, имеющих постоянную решётки, сравнимую с длиной волны видимого света, что даёт возможность окрашивания материала в тот или иной цвет светового спектра или поглощение света определённой длины волны. Интенсивность поглощения увеличивается в уменьшением размера частицы.
Наноразмерность кластера приводит к появлению нового эффекта -одноэлектронной проводимости. Становится возможным синтез наноустройств на основе нанопроволок, нанодиодов.
К кластере магнитный момент каждого атома взаимодействует с моментами других атомов, что может выстроить все моменты в одном направлении по отношению к какой-либо оси симметрии кластера. Такой кластер обладает суммарным ненулевым магнитным моментом и является намагниченным. Атомы в кластере совершают постоянные колебания, причем энергия колебаний увеличивается с ростом температуры. Эти колебания вызывают некоторое разупорядочивание магнитных моментов отдельных атомов в кластере, так что его полный магнитный момент уменьшается. Магнитный момент отдельного кластера взаимодействует с приложенным постоянным магнитным полем таким образом, что его расположение по полю становится более вероятным, чем против поля. Полный магнитный момент понижается при повышении температуры. Этот эффект называют суперпарамагнетизмом. [ 4 ]
Наночастицы обладают высокой химической активностью и способны эффективно взаимодействовать со многими веществами, включая инертные газы и благородные металлы, чему способствует сильно развитая поверхность и избыточная энергия поверхностных атомов. Данное свойство наноматериалов широко используется в катализаторах и фильтрах тонкой очистки газовых и жидких сред. Размер наночастиц оказывает значительное влияние на способность взаимодействовать с другими веществами. Например, кластеры алюминия , , активно взаимодействуют с кислородом, тогда как кластеры , c ним почти не взаимодействуют, что свидетельствует о зависимости реакционной способности кластеров от числа атомов в них. [ 1 ]
Высокодисперсным наноматериалам присущи такие явления, как самовозгорания и пирофорности, которые, как правило, очень нежелательны и сильно затрудняют получение и использование наноматериалов.
Самовозгорание - возникновение горения в результате самонагревания твердых материалов, вызванного самоускорением в них изотермических реакций. Оно происходит из-за того, что тепловыделение в ходе химической реакции больше теплоотвода в окружающую среду. В зависимости от природы самонагревания различают химическое, микробиологическое и тепловое самовозгорание.
Температура самонагревания представляет собой минимальную температуру, при которой обнаруживается тепловыделение. Она определяет начало процесса самовозгорания. По достижении в ходе саморазогрева температуры самовозгорания, возникает горение материала , которое может осуществляться тлением или пламенным горением.
Пирофорность - явление химического самовозгорания некоторых веществ при контакте их с воздухом в отсутствие нагрева.
Основной особенностью пирофорных веществ является то, что температура их самовозгорания ниже комнатной. К пирофорным относятся такие вещества, как высокодисперсные металлы, карбиды щелочных металлов, белый фосфор, металлоорганические соединения.
Нанокристаллические материалы широко представлены порошковыми объектами, сырьём для получения которых являются нанопорошки металлов и неметаллов. Характеристики порошковых нанокристаллических материалов обусловлены как свойствами самих наночастиц, так и особенностями их взаимодействия.
Если говорить о наноматериалах в целом, то одной из важных особенностей их структуры является обилие поверхностей раздела (межзеренных границ и тройных стыков - линий встречи 3-х зерен).
С уменьшением размера зёрен увеличивается доля границ раздела и их влияние на свойства наноматериалов. С уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренной компоненты (границ раздела) увеличивается с 0,3 до 87,5 %. Объемные доли межзеренной и внутризеренной компонент достигают одинакового значения (по 50%) при размере зерна порядка 5 нм. [ 3 ]
У поверхностных атомов, в отличии от находящихся в объеме зерна, задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов находящихся на выступах и уступах поверхности ненасыщенность связей еще выше. Поскольку доля поверхностной энергии становится достаточно существенной по сравнению с энергией в объёме зерна, то для понижения общей энергии системы необходима такая деформация кристалла, при которой поверхностная энергия системы будет понижаться. Такое понижение осуществляется за счёт изменения кристаллической структуры наночастицы, то есть переход от менее плотной ОЦК - структуры к более плотной ГЦК - и ГПУ-структуре.
Неравновесность границ зерен вызывает возникновение высоких напряжений и искажения кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери дальнего порядка. Результатом является значительное повышение микротвердости.
При уменьшении размера частиц происходит изменение их термодинамических свойств и перестройка колебательного спектра, что является основной причиной, приводящей к понижению температуры плавления нанокристаллов. Зависимость поверхностной энергии частицы от её размера предопределяет наличие аналогичной зависимости для температуры плавления наночастицы. Заметное понижение температуры плавления наблюдается когда размер частиц становиться меньше 10 нм.
Кинетические свойства, такие как диффузионная подвижность, теплопроводность и др., существенно зависят от размера структурного элемента. Для многих металлов (Pd, Сu, Ni, Ag и др.) в наноструктурном состоянии наблюдается повышение теплоемкости и увеличение коэффициентов термического расширения, уменьшение теплопроводности.
Одна из причин повышения теплоемкости наноструктурированных материалов обусловлена вкладом зернограничной фазы, которая имеет уменьшенную температуру Дебая и повышенную теплоемкость по сравнению с крупнозеренным материалом. [ 2 ]
Многими исследователями обнаружено значительное повышение удельного электросопротивления нанокристаллических Сu, Pd, Fe, Ni и различных сплавов при уменьшении размера зерен.
Другим аспектом, является тот факт, что свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов (в первую очередь вакансий и дислокаций). При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. Поскольку процессы деформации и разрушения протекают в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, то это во многом определяет возникновение ряда физических эффектов, в т.ч. физического предела текучести и физического предела усталости. [ 1 ]
Наноразмерными структурами обладают материалы, элементы строения которых имеют нанотехнологические размеры не превышающие 100 нм хотя бы в одном направлении, благодаря чему данные материалы получают новые физические и механические свойства.
В современном мире наноматериалы представлены как наночастицами, так и наноструктурированными объёмными материалами. Зависимость свойств наноматериалов обусловлена размером и структурой как отдельных частиц, так и от их взаимодействием в структуре объёмного объекта. Так особенности свойств атомных кластеров с определённым количествов атомов или молекул проявляются в изменении электромагнитных, оптических и реакционных свойств наноматериалов.
Главной особенностью наноматериалов является увеличение объёма доли поверхности раздела (границ между зёрнами) с уменьшением размера зёрен или кристаллитов, что приводит к большой протяжённости границ раздела и увеличивает их роль.
На формирование поверхности раздела оказывает влияние сток точечных и линейных кристаллических дефектов (в первую очередь вакансий и дислокаций). При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей, что во многом определяет изменение ряда физических эффектов, в т.ч. физического предела текучести и физического предела усталости.
Наличие в наноматериалах мелких зёрен с высокой поверхностной энергией, большой протяжённости границ раздела и их неравновесность, вызывающая возникновение высоких напряжений и искажение кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, существенно изменяют термодинамические свойства (межфазных превращений, температуры плавления и т.д), свойства электропроводимости (увеличение электросопротивления), магнитные свойства и ряд физико-механических свойств материалов (твёрдость, предел текучести, предел усталости), что находит применение в различных отраслях промышленности.
Используемые источники
1. Азаренков Н.А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. Свойства. Область применения. Особенности современного наноструктурного покрытия / Н.А.Азаренков, В.М.Береснев, А.Д. Погребняк, кол.-М.: КД Либроком, 2013.-368с.
2. Воронов В.К. Свойства и применение наноматериалов: Учебное пособие / В.К.Воронов, А.С.Янюшкин.-Ст. Оскол: ТНТ, 2013.-220 с.
3. Матренин С.В. Наноструктурные материалы в машиностроении: учебное пособие / С.В.Матренин, Б.Б.Овечкин; Томский политехнический университет.-Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.-186 с.
4. Суздалев И.П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П.Суздалев.-М.: КД Либроком, 2014.-592 с.
В сильно неравновесном состоянии поведение открытых систем совершенно иное, прямо противоположное поведению в условиях слабого неравновесия. Такое сложное поведение открытых систем связано с их внутренним свойством – нелинейностью.
Мир линейных функций однообразен. Геометрический образ линейной функции любого физического смысла в зависимости от числа независимых переменных - прямая, плоскость или гиперплоскость. На одинаковые приращения независимой переменной линейная функция откликается одинаковыми приращениями при любых значениях переменной. Это означает, что линейная зависимость не обладает избирательностью. Она не может описывать ни резонансных всплесков, ни насыщения, ни колебаний в системах – ничего, кроме равномерного неуклонного роста или столь же равномерного неуклонного убывания тех или иных качеств систем.
В природе имеет место бесчисленное количество нелинейных зависимостей между величинами, характеризующих различные процессы. Математически такие зависимости выражаются нелинейными функциями одной или нескольких переменных. Мир нелинейных функций, так же как и стоящий за ним мир нелинейных явлений отличается неисчерпаемым многообразием, здесь господствует изменчивость и многообразие форм.
Рис. 5.4. Влияние параметра λ на переменную состояния системы Х.
Значение Х чувствительно к изменению λ в окрестности значений λ1 и λ2.
Геометрический образ нелинейной функции – кривая на плоскости, искривленная поверхность или гиперповерхность в пространстве трех и большего числа измерений. На одинаковые приращения независимой переменной одна и та же нелинейная функция откликается по-разному в зависимости от того, какому значению независимой переменной придается приращение.
В качестве примера такой зависимости приведем некоторую зависимость X (λ) (рис. 5.4).
Пусть величина X характеризует состояние системы (например, концентрацию вещества в химической реакции), а величина λ представляет собой управляющий параметр - характеристику внешней среды, определяющую степень удаленности от равновесия (градиент концентрации). Когда λ меньше λ1 или больше λ2, величина Х определена однозначно. Однако для λ1
Тьма не может изгнать тьму; только свет может сделать это. Ненависть не может изгнать ненависть; только любовь может сделать это. © Лютер Кинг ==> читать все изречения.
Читайте также: