ナノマテリアルとナノシステムの材料科学と技術。ナノマテリアルとナノシステムの材料科学

07.02.2024

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ロシア連邦教育科学省

州立教育機関

高等専門教育

「イヴァノヴォ州立繊維アカデミー」

物理・ナノテクノロジー学科

		承認しました教務担当副学長 V.V.リュビムツェフ「______」______2011

ナノマテリアルとナノシステムの材料科学

コード、準備の方向性	152200 ナノエンジニアリング

トレーニングプロフィール	ナノマテリアル

ループ、コード	数学および自然科学 (B.3.1-3a)

学期

卒業資格（学位）	学士

学習形態	フルタイム

学部	ファッション業界

イヴァノボ 2011

「ナノマテリアルとナノシステムの材料科学」という分野を学習した結果、学生は次のことを行う必要があります。 知る： - ナノ分散粉末、フラーレンナノ構造の固体、液体およびゲル状材料、ナノサイズの要素および物体、ナノシステム（ヘテロ構造）の特性および応用分野。ナノマテリアルを製造するためのナノテクノロジーの基礎。ナノ構造および勾配強化、保護および機能層およびコーティングを製造するためのナノテクノロジーの基礎。複合材料を合成するための技術プロセスの基礎。 できる： - 電気、光学、磁気、熱、および機械信号の変換に関する特定の要件に合わせて、特定の特性を備えたナノオブジェクトを実装するためのナノ構造およびその製造方法を選択する。 - ナノエンジニアリングの分野で深い知識を得る際に、基本的な概念と定義を使用します。 - ナノ製品とナノテクノロジーの特徴を分析する。ナノテクノロジープロセスのための技術機器とデバイスの図を作成します。 自分の： - ナノエンジニアリング分野における知識形成の問題を解決するスキル。この分野の作業プログラムでは、次の種類の教育作業が提供されます。

教育関連の仕事の種類	合計時間/クレジット	学期番号
教育関連の仕事の種類	合計時間/クレジット
教室レッスン（合計）
含む：

実践授業（セミナー）
自主制作作品（合計）
実践授業（セミナー）の準備
独立研究のために提出された理論的問題の研究
試験の準備
中間資格の種類（試験・試験）
総労働強度: 時間クレジット単位

この分野には次のセクションが含まれます。

ナノマテリアルの出現の歴史、その開発と実際の実装のダイナミクス。

ナノ構造材料の基本概念と分類。

ナノサイズシステムの物性の特徴と主な種類

ナノマテリアルおよびそれに基づく製品の生産、加工、改質のための技術プロセス。

部長

AK イズゴロディン

教師兼開発者

カーボンナノチューブモデル

一年の終わりと次の年の始まりは、人類が過去を分析し、今後のことについて考えたいという欲求が訪れる特別な時期です。そして新年の初めに、ナノテクノロジーの開発が始まって以来、材料科学に関連したナノテクノロジーにおける最も重要な成果 10 件を振り返りたいと思います。

編集者の一人である J. ウッドは、マテリアルズトゥデイ誌の新年後の号でこのように記事を書き始め、過去 50 年間のどのような出来事が今日の材料科学の発展における大きな力学を決定づけたかを問いかけています。ウッド氏は 10 の出来事を特定しています (高温超伝導の発見は含まれていません。高温超伝導の発見は明らかに材料科学者よりも物理学者にとってより重要な出来事です)。

そもそも– 「半導体のための国際技術ロードマップ」（ITRS）、科学的発見ではありませんが、実際には、大規模な国際専門家グループによって編集された文書（分析レビュー）です（1994 年には、400 人以上の技術者がこのロードマップの作成に関与しました）地図、そして 2007 年にはすでに 1,200 人を超える専門家が産業界、国立研究所、学術機関から参加しました。科学、テクノロジー、経済学を組み合わせたこのマップは、一定期間内に達成可能な目標と、それらを達成するための最適な道筋を設定します。最終報告書 (2007 年時点では 18 章、1000 ページの本文が含まれていた) は、長い議論の末に達したほとんどの専門家の合意の結果です。ロシアのナノ研究主催者も、ナノ開発の対象を選ぶ際に同様の問題に直面した。彼らは短期間でロシアにすでに「ナノ存在」しているものを「調査」し、開発の最適な方向性を見つけるために急遽設立された専門家評議会に呼びかけている。 ITRS レポートの内容に精通しており、これらの研究を組織した経験があれば明らかに役立ちます。

米。 1. ITRSに基づく半導体研究

二位– 走査型トンネル顕微鏡 – は、何ら驚くことではありません。なぜなら、ナノ研究とナノテクノロジーの推進力となったのはこの発明 (1981 年) だったからです。

第三位– 磁性材料と非磁性材料で作られた多層構造における巨大磁気抵抗の効果 (1988 年); これに基づいて、今日すべてのパーソナルコンピュータに搭載されているハードドライブの読み取りヘッドが作成されました。

4位– GaAs 半導体レーザーおよび LED (最初の開発は 1962 年に遡ります)、通信システム、CD および DVD プレーヤー、レーザープリンターの主要コンポーネントです。

5位– これもまた科学的発見のことではなく、大規模な有望な科学研究を促進するために 2000 年に有能に組織されたイベント、いわゆる、を指します。「国家ナノテクノロジーイニシアチブ」米国。現在、世界中の科学は、この取り組みの熱意者、当時の B. クリントン大統領と米国国立科学財団の M. ロコ博士に大きく貢献しています。 2007 年のナノ研究への世界的な資金提供額は 120 億ドルを超え、世界 60 (!) か国で対応する科学プログラムが開始されました。ところで、「ナノブリザード」に不満を抱いている一部のロシアの科学者の立場は少々不透明だが、なぜならこの吹雪こそがロシア政府に最終的に科学に顔を向けさせたからだ。

米。 2. ナノファイバーで強化された自転車

6位– 炭素繊維で強化されたプラスチック。軽量かつ強力な複合材料は、航空機製造、宇宙技術、輸送、梱包材、スポーツ用品など、多くの業界を変革してきました。

7位– リチウムイオン電池の材料。つい最近までラップトップや携帯電話なしで生活できていたとは想像しにくいです。この「モバイル革命」は、水性電解質を使用する充電式電池から、よりエネルギー密度の高いリチウムイオン電池 (正極 - LiCoO__2__ または LiFeO__4__、負極 - 炭素) への移行なしには不可能でした。

8位– カーボンナノチューブ (1991 年) に先立って、1985 年に同様にセンセーショナルな C__60__ フラーレンの発見が行われました。現在、カーボンナノ構造の驚くべき、ユニークで有望な特性が、最も注目されている出版物の中心となっています。しかし、均一な性質を持った大量合成方法や精製方法、ナノデバイスに組み込む技術などについては未だ多くの疑問が残されています。

米。 3. 電磁放射線を吸収するメタマテリアル

9位– ソフトプリントリソグラフィー用の材料。リソグラフィプロセスは、今日のマイクロエレクトロニクスデバイスや回路、記憶媒体、その他の製品の製造の中心となっており、近い将来に代替手段は見当たりません。ソフト印刷リソグラフィーでは、繰り返し使用できる弾性のあるポリジメチルオキシシランスタンプを使用します。この方法は、現在までに最大 30 nm の解像度を達成しており、平面、曲面、フレキシブル基板に使用できます。

金属材料科学研究所 (IMET) によって出版物として推奨され、その名にちなんで命名されました。 A.A. Baikov RAS (物理化学およびコーティング技術の研究室 - V.I. Kalita 研究室長、技術科学博士、教授) およびサンクトペテルブルク工科経済大学 (工学および技術科学学部 - 学科長 V.K. Fedyukin、技術科学博士)科学、教授、国際高等教育アカデミーの対応会員）は、「産業における最新の技術と材料」コースの一環として、技術分野のトレーニングを学ぶ大学生向けの教科書として使用されています。

PPO No.04-01のUMOスタンプを取得（高等教育機関の学生向け教材として職業教育教育方法論協会より承認）。

材料科学、エレクトロニクス、マイクロメカニクス、医学、および人間活動のその他の分野におけるハイテク分野における科学技術の進歩は、構造、材料、デバイス、要素の基礎および応用研究、設計および実用化の結果と関連しています。その寸法はナノメートル範囲（1 nm = 10-9m）であり、その製造技術（ナノテクノロジー）と診断方法の開発も行われています。材料科学におけるナノテクノロジーの対象となるのは、分散材料、膜、ナノ結晶材料です。

このマニュアルの目的は、ナノマテリアルとナノテクノロジーの分野における科学と技術の発展における新しい効果的な方向性、特にユニークな特性を持つナノ結晶構造材料の合成とその産業での使用例を学生と専門家に知ってもらうことです。。

このマニュアルは、ナノサイエンスとナノインダストリーの理論的および技術的基礎、問題点、および展望を検討します。ナノサイエンスの基本概念の定義が提案されています。ナノ材料とナノ構造に関するデータが体系化され、分類されています。ナノ構造を研究および構築するための方法が説明されています。ナノ構造材料の合成方法の分析と、さまざまな産業における伝統的および新技術におけるそれらの応用例を多数示します。構造的および機能的ナノマテリアルの物理的、機械的、および技術的特性の変化の特徴が考慮されます。

この教科書は、さまざまな専門分野を学び、材料科学および構造材料技術のコースを学ぶ高等教育機関の学生のために開発されました。ナノマテリアルやナノテクノロジーの問題に関わる大学院生、専門家、研究者にとって役立つかもしれません。

チュートリアルの構成:

導入。

第 1 章ナノマテリアルとナノテクノロジーの科学発展の基礎と側面。

第 2 章ナノ材料とナノ構造。

第 3 章ナノ構造の研究および設計方法。

第4章ナノ構造材料の取得とナノ製品の製造技術

第 5 章ナノマテリアルの機械的性質。

結論。

書誌リスト。

用語のリスト。

付録: ナノテクノロジーおよびナノマテリアルの専門展示会。

書誌リンク

ザベリン S.F.、アリモバ M.I. 材料ナノ構造材料の科学と技術 (指導マニュアル) // 実験教育の国際ジャーナル。 – 2015. – No. 1. – P. 65-66;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6342 (アクセス日: 09/17/2019)。出版社「自然科学アカデミー」が発行する雑誌をご紹介します。

物質は文明の発展において常に重要な役割を果たしてきました。科学者たちは、人類の歴史は使用される材料の変化として説明できると言います。文明の歴史の時代は、石器時代、青銅器時代、鉄器時代という資料に基づいて名前が付けられました。おそらく今の時代は複合材料の世紀と呼ばれるでしょう。先進国では、材料科学は、情報技術およびバイオテクノロジーと並んで、上位 3 つの優先知識分野にランクされています。

テクノロジーの各分野が発展するにつれて、材料に対する要求はますます多様化し、高度化しています。例えば、人工衛星や宇宙船の構造材料には、温度（高温および極低温）や熱サイクル耐性に加え、絶対真空条件下での気密性、振動に対する耐性、高加速度（従来の数万倍）などの耐久性が求められます。重力の加速）、隕石の衝突、プラズマ、放射線、無重力への長時間の曝露など。このような相反する要求を満たすことができるのは、性質が大きく異なる複数の成分からなる複合材料だけです。

耐熱性を高めた層状金属間複合材料

超電導性繊維複合材料

耐摩耗性分散強化複合材料

ほとんどの専門家の予測によれば、ナノテクノロジー (現代材料科学の一部門) の発展が 21 世紀の形を決定するでしょう。このことは、過去 15 年間に化学と物理学の分野で 4 つのノーベル賞を受賞したことによって確認されています。新形態の炭素 - フラーレン (1996 年) とグラフェン (2010 年) の発見、半導体技術分野の開発に対するものです。および集積回路（2000）。）、光半導体センサー（2009）。ロシアはナノテクノロジーへの投資において米国に次いで世界第2位である（2011年の投資額は約20億ドル）。現在、科学は新素材の本格的なブームを経験しています。この点において、材料科学者は、核エネルギー、医療、石油生産、自動車、航空、宇宙、防衛、エネルギー産業、エリートスポーツ産業、研究機関、ハイテク製品を製造する革新的な企業など、多くの業界で需要が高まっています。

複合材料で作られたスホーイスーパージェット 100 航空機の部品とコンポーネント

フレキシブルなグラフェンベースのディスプレイ

複合材料で作られた最新のスポーツ用品

材料科学者は、さまざまな目的で有機および無機の材料の開発、研究、改質に携わっています。生産、加工、操作の各段階での生産、構造形成、変形のプロセス。材料の信頼性と効率の問題。さまざまな種類の荷重下での部品やアセンブリの動作をコンピューターでモデリングします。ユニットおよび機器コンポーネントの製造用の材料に関連する問題について、さまざまな生産部門に技術サポートを提供し、会社の潜在的なサプライヤーの選択と評価に参加します。

ヴォルゴグラード国立工科大学の「材料科学」分野の卒業生は需要があり、大企業や大企業で働いています。 JSC SUAL支部 VgAZ-SUAL、LLC LUKOIL - Volgogradneftepererabotka、JSC VNIKTIneftekhimoborudovanie、JSC Volgogradneftemash、JSC Central Design Bureau Titan、JSC Neftezavodmontazh 」、JSC VMK「レッドオクトーバー」、JSC「ヴォルシスキーパイププラント」、JSC「TK「ネフテヒムガズ」、JSC「エクスペルティーザ」、LLC「ヴォルゴグラドネフテプロエクト」、JSC「カウスティック」、LLC「コンスタンタ-2」など多数。

認定された学士および修士の準備は、「材料科学と材料技術」の方向性の枠組みの中で行われます。

ナノテクノロジー・材料科学・機械工学科は、TSU 物理工科大学の 2 つの学科を基にして 2011 年 12 月に設立され、深い歴史的ルーツを持っています。この学科の起源は世界クラスの科学者であるM.A.教授でした。クリスタル、GF レピンとE.A. マモントフ氏は物性材料科学に多大な貢献をし、同大学の材料科学研究基盤の基礎を築いた人物である。

セクション「力学」; 基礎部門「ナノマテリアル」（モスクワ、I.P.バルディンにちなんで命名されたシェルメ中央研究所）、科学教育センター「物理材料科学とナノテクノロジー」。

電子顕微鏡、レーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡、物理的および機械的試験、X線回折分析、金属組織学およびアコースティック・エミッションなどの20以上の近代的で設備の整った教育および研究実験室があり、そのうち3つはRostechnadzorのシステムで認定されています。および分析研究所（SAAL）。

インターナショナルスクール「物性科学」

ドイツ（フライベルク）、日本（大迫、京都）、オーストラリア（メルボルン）などの大学を含む、ロシアおよび外国の一流科学学校との協力。

上級生は全員、実りある研究活動に従事し、科学研究コンテストや卒業プロジェクトで毎年優勝者や受賞者になっています。この学部の卒業生のほぼ 100% が就職しており、そのうち 80% が PJSC AVTOVAZ の研究センターおよび臨床検査部門、サマラ地域イノベーションおよびテクノロジーセンターの研究室、および専門家組織で専門分野で働いています。

部長代理

教授、技術科学博士

クレフツォフゲンナジー・フセヴォロドヴィッチ