Кафедра молекулярной физики

Кафедра молекулярной физики МИФИ

Кафедра готовит специалистов в области исследования и моделирования процессов в газах, жидкостях и на поверхности твердого тела, разработки наукоемких технологий и новых методов получения высокочистых веществ и пленочных покрытий.

Сотрудники кафедры молекулярной физики
Сотрудники кафедры молекулярной физики
Кафедра молекулярной физики
Кафедра молекулярной физики

Проектируй. Моделируй. Создавай.

Девиз нашей кафедры

Партнеры кафедры
  • РНЦ "Курчатовский институт"
  • ТРИНИТИ (г. Троицк)
  • Институт нефтехимического синтеза РАН
Основные направления
  • Масс-спектрометрия
  • Ионная и электронная спектроскопия
  • Оптическая и лазерная спектроскопия
  • Физико-математическое моделирование
  • Композиционные материалы
Преподавательский состав

Профессоры: 2

Доценты: 10

Научные сотрудники: 15+

Цели и миссия кафедры

Исторические корни

Кафедра была создана академиками Миллионщиковым, Курчатовым и Кикоиным для решения ключевых задач страны. Наша основная цель — продолжить дело основателей.

Сегодня мы храним эти традиции, готовя новое поколение ученых, способных видеть суть явлений и управлять материей. Мы даем не просто диплом, а набор уникальных компетенций, востребованных в ведущих НИИ и высокотехнологичной промышленности.

Для абитуриентов

Открыть вам путь в настоящую физику. Мы покажем, как фундаментальные знания о процессах в газах и на поверхностях превращаются в прорывные технологии, от разделения изотопов до создания новых материалов.

Для студентов

Дать вам элитное образование. Вы не просто будете учиться — вы будете участвовать в реальной научной работе в области масс-спектрометрии, газовой динамики и физики наноразмерных систем, продолжая дело ведущих научных школ.

Для науки

Решать задачи, определяющие будущее. Мы занимаемся физико-математическим моделированием сложнейших процессов и разработкой высокоинформативных методов исследования и анализа, чтобы заглянуть за горизонт современных знаний.

Рассеивающая линза
Кафедра молекулярной физики
Кафедра молекулярной физики
Кафедра молекулярной физики

Связь с материалами на этой странице

Все темы, которые вы изучали на этой странице, являются частью научных направлений кафедры молекулярной физики:

  • Мембранные технологии — разделение газов и жидкостей
  • Теория перколяции — моделирование сложных систем
  • Углеродные наноматериалы — создание новых материалов
  • Масс-спектрометрия — аналитические методы исследования
  • Газовые центрифуги — разделение изотопов урана
  • Каскады разделения — инженерные системы

На кафедре вы сможете углубить знания по этим темам и применить их в реальных научных проектах!

Полезные ссылки и контакты

Официальный сайт

Подробная информация о кафедре, учебных программах, научных исследованиях

VK
Группа ВКонтакте

Новости, мероприятия, общение с студентами и преподавателями

Телеграм-канал

Анонсы, важные объявления, научные новости

Хотите узнать больше?

Если вас заинтересовали темы на этой странице и вы хотите заниматься ими профессионально, приходите на кафедру молекулярной физики!

kaf10@mephi.ru

Почему выбирают кафедру молекулярной физики?

Уникальные компетенции

  • Работа на современном научном оборудовании
  • Навыки физико-математического моделирования
  • Опыт экспериментальных исследований
  • Знание методов анализа (масс-спектрометрия, спектроскопия)
  • Понимание процессов в газах, жидкостях и на поверхностях

Карьерные перспективы

  • Научно-исследовательские институты РАН
  • Высокотехнологичные предприятия
  • Энергетическая отрасль (ядерная, термоядерная энергетика)
  • Аналитические лаборатории
  • IT-компании (моделирование, data science)
  • Зарубежные научные центры

Наследники великой школы

Кафедра молекулярной физики продолжает традиции, заложенные академиками Курчатовым, Кикоиным и Миллионщиковым. Мы готовим специалистов, способных решать сложнейшие задачи современной науки и техники, создавать технологии будущего и двигать вперед российскую науку.

Присоединяйтесь к нам, чтобы стать частью этой великой истории!

Масс-спектрометрия

Основы масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия — это аналитический метод, используемый для определения молекулярной массы и установления структуры химических соединений. Метод основан на измерении отношения массы к заряду ионов.

Этап 1: Ионизация

Вещество переводят в газовую фазу и ионизируют, превращая молекулы в заряженные частицы — ионы.

Этап 2: Разделение

Ионы разделяют в пространстве под действием электромагнитных полей в зависимости от их массы и заряда.

Этап 3: Регистрация

Разделенные ионы регистрируются детектором, формируя масс-спектр.

Масс-спектрометрия
Масс-спектрометрия (источник: MakeAGif.com)

Масс-спектр и его интерпретация

Масс-спектр — это графическое или табличное представление результатов измерения, где показано соотношение массы к заряду ионов и их относительное содержание.

Интерпретация масс-спектра позволяет:

  • Идентифицировать неизвестное вещество
  • Определить его молекулярную массу
  • Получить информацию о его строении

Основная формула масс-спектрометрии

mz=(B⋅r)22⋅U \frac{m}{z} = \frac{(B \cdot r)^2}{2 \cdot U}

m/z — отношение массы иона к его заряду (измеряемая величина)

B — индукция магнитного поля

r — радиус кривизны траектории иона

U — ускоряющее напряжение

Историческая справка

1912 год - Дж. Дж. Томсон

Построил первый масс-спектрограф и открыл стабильные изотопы неона

1922 год - Фрэнсис Астон

Cоздал масс-спектрограф с фокусировкой, получил Нобелевскую премию по химии

2002 год - Джон Фенн и Танака Коити

Разработали методы ионизации (электрораспыление и лазерная десорбция) для анализа сложных молекул, получили Нобелевскую премию по химии

Масс-спектрометрия
Первый в России трипл-квадрупольный масс-спектрометр создан в МИФИ под руководством профессора кафедры №10 Алексея Александровича Сысоева.

Газовая центрифуга

Принцип работы газовой центрифуги

Газовая центрифуга — это устройство для разделения газов (изотопов) с разной массой под действием центробежной силы. Используется преимущественно для обогащения урана в ядерной энергетике.

Газовой центрифуга
Газовая центрифуга (источник: https://habr.com/ru/articles/562494/)

Обогащение урана

Обогащение урана — технологический процесс увеличения доли делящегося изотопа U-235 в уране. Метод центрифугирования является основным промышленным методом для решения этой задачи.

Рабочее вещество

В центрифугах используется гексафторид урана (UF₆) — газообразное соединение, которое позволяет эффективно разделять изотопы.

Технологические этапы

1
Вращение

Ротор раскручивается до 1000+ об/с

2
Подача газа

Внутрь подаётся газовая смесь UF₆

3
Разделение

Тяжёлые молекулы (U-238) концентрируются у стенки, лёгкие (U-235) — у оси

4
Отбор

Фракции отводятся через разные трубки

Формула разделения в газовой центрифуге

α=CлегCтяж=e(Mт−Mл)⋅v22⋅R⋅T \alpha = \frac{C_\text{лег}}{C_\text{тяж}} = \mathrm{e}^{\frac{(M_\text{т} - M_\text{л}) \cdot v^2}{2 \cdot R \cdot T}}

α — коэффициент обогащения (эффективность центрифуги)

Cлег и Cтяж — концентрации лёгкого и тяжёлого изотопов

Mт - Mл — разность масс изотопов

v — линейная скорость стенки ротора

R — универсальная газовая постоянная

T — абсолютная температура газа

Историческая справка

Вторая мировая война - Манфред фон Арденне

Создал первые прототипы газовых центрифуг в нацистской Германии, достиг разделения изотопов ксенона

Послевоенный период - СССР

Группа Гернота Циппе под руководством И.К. Кикоина и М.Д. Миллионщикова разработала промышленные центрифуги в Верх-Нейвинске

1957 год - Прорыв

Запущена первая в мире промышленная каскадная установка газовых центрифуг в СССР

Современность

Технологией владеют: Россия, Китай, Франция, Германия, Великобритания, Нидерланды. США используют газодиффузионный метод

Каскады разделительных элементов

Принцип работы каскадов

Каскады разделительных элементов — это инженерные системы, состоящие из нескольких соединённых разделительных ступеней, предназначенные для многократного усиления эффекта разделения смесей.

Каскад разделительных элементов
Каскад разделительных элементов (источник: https://textarchive.ru/c-2004037-p5.html)
Цех с каскадами газовых центрифуг
Цех с каскадами газовых центрифуг (источник: https://strana-rosatom.ru/2017/08/01/iz-sibiri-s-ljubovju/)

Назначение каскадов

Позволяют достичь высокой чистоты целевых компонентов, которую невозможно получить на одной ступени.

Принцип работы

Постепенное накопление нужного вещества в целевом потоке и его удаление в отвальном потоке при прохождении через серию элементов.

Ключевые параметры для расчёта

Степень разделения (q)

q=x′/(1−x′)x/(1−x) q = \frac{x'/(1 - x')}{x/(1 - x)}

Показывает, во сколько раз изменяется относительная концентрация после одной ступени

Коэффициент обогащения (ε)

ϵ≈q−1 \epsilon \approx q - 1

Более простая мера эффективности ступени

Число ступеней (N)

N=ln⁡(xk/(1−xk)xn/(1−xn))ln⁡(q) N = \frac{\ln\left(\frac{x_k/(1-x_k)}{x_n/(1-x_n)}\right)}{\ln(q)}

Количество идеальных элементов для достижения заданной концентрации

Аналогия с фильтрацией воды

Прямоточный способ

Многократное пропускание одной и той же воды через один фильтр. Неэффективно для глубокой очистки.

Простой каскад

Система из нескольких разных фильтров, соединённых последовательно. Каждая ступень получает предварительно очищенную воду.

Диффузионный каскад

Обеднённый остаток с каждой ступени возвращается в начало цикла. Позволяет быстро получить значительную долю чистого продукта.

Историческая справка

1940-50-е годы - Манхэттенский проект

Теория каскадов разработана для разделения изотопов урана. Ключевой вклад — физик-теоретик Клаус Фукс

Параллельные исследования в СССР

Исаак Кикоин проводил фундаментальные исследования каскадных систем

Современное применение

Каскадные системы используются в ядерной, химической, металлургической и пищевой отраслях

Технологическая основа

Каскадная технология основана на принципах термодинамики, гидродинамики и массообмена. Её практическое применение заключается в оптимизации количества ступеней и потоков, что обеспечивает экономичность и высокую производительность установок.

Области применения:

  • Ядерная энергетика (обогащение урана)
  • Химическая промышленность (разделение изомеров)
  • Металлургия (очистка металлов)
  • Пищевая промышленность (концентрирование продуктов)

Мембранные технологии

Что такое мембранные технологии?

Мембранные технологии — это способы разделения смесей с помощью специальных полупроницаемых перегородок (мембран). Мембрана работает как "умный фильтр" — пропускает одни вещества и задерживает другие.

Полупроницаемые мембраны – это тонкие, избирательные перегородки между двумя фазами или средами, контролирующие обмен веществ между ними. Они пропускают вещества по принципу размера, заряда или растворимости. Самый известный пример — оболочка живой клетки, которая впускает питательные вещества и выпускает отходы.

Модель мембраны
Модель мембраны (источник: gifer.com

Простая аналогия

Представьте сито для муки: мелкая мука проходит через отверстия, а крупные комочки остаются. Мембрана — это как очень умное сито, которое может различать даже отдельные молекулы!

Где встречается в жизни?

  • Бытовые фильтры для очистки воды
  • Искусственная почка (гемодиализ)
  • Очистка воздуха в противогазах
  • Производство соков без нагревания

Основные физические процессы в мембранном разделении

Диффузия

Самопроизвольное перемещение молекул из области с высокой концентрацией в область с низкой

Осмос

Проникновение растворителя через мембрану в раствор с большей концентрацией

Конвективный поток

Перенос вещества вместе с потоком жидкости через поры мембраны под действием перепада давления

Обратный осмос

Приложение давления для движения растворителя против градиента концентрации

Разница между конвективным потоком и диффузией

Конвективный поток
  • • Перенос всей жидкости через поры
  • • Зависит от перепада давления
  • • Может увлекать растворенные вещества
  • • Аналогия: вода течет через сито
Диффузия
  • • Перемещение отдельных молекул
  • • Зависит от градиента концентрации
  • • Молекулы движутся независимо
  • • Аналогия: запах распространяется в воздухе

Классификация мембран по размеру пор

Микрофильтрация (MF)

Размер пор: 0.1–10 мкм

Задерживает: взвешенные частицы, бактерии, крупные коллоиды

Ультрафильтрация (UF)

Размер пор: 1–100 нм

Задерживает: вирусы, макромолекулы (белки, полисахариды), пигменты

Нанофильтрация (NF)

Размер пор: ~1 нм

Задерживает: многовалентные ионы, мелкие органические молекулы

Обратный осмос (RO)

Размер пор: <1 нм

Задерживает: практически все растворенные соли и органические молекулы, пропускает только воду

Простые формулы для понимания

Закон Фика для диффузии

J=−D⋅ΔCΔx J = -D \cdot \frac{\Delta C}{\Delta x}

J — поток вещества (сколько проходит за время)

D — коэффициент диффузии (скорость перемещения)

ΔC/Δx — разность концентраций на расстоянии

Уравнение для конвективного потока

Jv=Lp⋅ΔP J_v = L_p \cdot \Delta P

Jv — объёмный поток жидкости через мембрану

Lp — коэффициент гидравлической проницаемости

ΔP — разность давлений по обе стороны мембраны

Простой закон: чем больше давление, тем быстрее течёт жидкость через мембрану

Уравнение для обратного осмоса

Jw=A⋅(ΔP−Δπ) J_w = A \cdot (\Delta P - \Delta \pi)

Jw — поток воды через мембрану

A — проницаемость мембраны

ΔP — приложенное давление

Δπ — осмотическое давление

Коэффициент селективности (α)

α=PAPB \alpha = \frac{P_A}{P_B}

Показывает, во сколько раз одно вещество проходит через мембрану легче другого

PA, PB — коэффициенты проницаемости компонентов A и B

Чем больше α отклоняется от 1, тем выше селективность мембраны

Практические примеры для школьников

Домашний эксперимент 1

Осмос с яйцом: Очистите сырое яйцо от скорлупы (уксусом), поместите в стакан с водой. Яйцо набухнет — вода проходит через мембрану внутрь.

Домашний эксперимент 2

Диффузия чая: Положите чайный пакетик в холодную и горячую воду. В горячей воде диффузия быстрее — чай заваривается мгновенно!

Наглядный пример 3

Фильтр для воды: Разберите старый картридж фильтра — внутри увидите мембрану, которая задерживает вредные вещества, но пропускает воду.

Конвективный поток в быту и природе

Кофейный фильтр

Когда вы заливаете горячую воду в кофемашине, вода под давлением проходит через фильтр с молотым кофе. Это конвективный поток — вода "проталкивает" через поры фильтра кофейные масла и ароматические вещества.

Капельница в больнице

Лекарственный раствор под действием силы тяжести (разности давлений) проходит через мембрану капельницы. Это пример контролируемого конвективного потока — жидкость движется через поры фильтра.

Природа

Дождевая вода, просачивающаяся через почву — это естественный конвективный поток. Вода под действием гравитации проходит через поры почвы, оставляя крупные частицы.

Историческая справка

1826 год - Первые наблюдения

Французский учёный Анри Дютроше впервые наблюдал явление избирательной проницаемости, изучая клетки растений.

Конец XIX века - Прорыв в исследованиях

Немецкий физико-химик Вильгельм Пфеффер создал искусственные мембраны, которые пропускали только воду, но не сахар. Эти опыты легли в основу теории растворов.

Нобелевская премия

За разработку теории осмотического давления и растворов Нобелевскую премию получил Якоб Вант-Гофф.

Где применяются мембранные технологии?

Очистка воды

  • Бытовые фильтры "под мойку" (конвективный поток + обратный осмос)
  • Опреснение морской воды (удаление соли)
  • Очистка сточных вод на заводах
  • Производство бутилированной воды

Медицина и биология

  • Аппарат "искусственная почка" (гемодиализ)
  • Производство лекарств
  • Анализ крови в лабораториях
  • Кислородные концентраторы

Пищевая промышленность

  • Обезараживание молока без кипячения
  • Концентрирование соков
  • Очистка растительных масел
  • Производство безалкогольного пива

Экология и промышленность

  • Очистка выбросов заводов
  • Получение водорода для топливных элементов
  • Разделение газов (кислород/азот)
  • Переработка отходов

Ключевые термины простыми словами

Селективность (избирательность)

"Умение" мембраны различать разные вещества. Высокая селективность = хорошее разделение. Характеризуется коэффициентом селективности (α).

Проницаемость

Скорость, с которой вещества проходят через мембрану. Как пропускная способность трубы. Измеряется коэффициентом проницаемости (P).

Конвективный поток

Перенос вещества вместе с потоком жидкости через мембрану под действием разности давлений. Как вода, проталкиваемая через сито.

Полупроницаемая мембрана

Перегородка, которая пропускает одни вещества и задерживает другие. Как дверь с глазком. Работает по принципу размера, заряда или растворимости.

Концентрационный градиент

Разница в концентрации вещества в двух местах. Как разница высот для шарика — он всегда катится вниз.

Гидравлическая проницаемость (Lp)

Характеризует, насколько легко жидкость проходит через мембрану под давлением. Чем больше Lp, тем меньше сопротивление потоку.

Мембранные технологии — междисциплинарная область

Химия

  • • Физическая химия
  • • Коллоидная химия
  • • Биологическая химия

Материаловедение

  • • Синтез полимерных мембран
  • • Керамические мембраны
  • • Гибридные материалы

Инженерия

  • • Инженерная экология
  • • Гидродинамика (конвективные потоки)
  • • Экономические расчёты

Биология и медицина

  • • Клеточные мембраны
  • • Гемодиализ
  • • Биосенсоры

Интересные факты о мембранных технологиях

Космическая станция

На МКС используется мембранная система для очистки и повторного использования воды. Астронавты пьют воду, которая прошла через мембраны!

Спасение жизней

Аппарат "искусственная почка" работает на принципе мембранного разделения. Он очищает кровь пациентов, у которых не работают почки.

Древние технологии

Принцип осмоса известен с древности! Греки замечали, что соленая рыба в пресной воде набухает, но не понимали почему.

Конвекция в природе

Процессы фильтрации воды через почвенные слои — это естественный конвективный поток. Природа использует тот же принцип, что и современные мембранные технологии!

Теория перколяции

Что такое перколяция?

Перколяция — это процесс просачивания или протекания жидкости через пористый материал. Представьте, как вода просачивается через землю после дождя или кофе фильтруется через бумажный фильтр!

Перколяция
Перколяция (автор: Thierry Dugnolle)

Простая аналогия

Как вода находит путь через каменистую почву? Если камней слишком много, вода не пройдет. Если их мало — вода просочится быстро. Теория перколяции изучает этот "критический момент".

Ключевая идея

Существует порог перколяции — критическая концентрация "дырок" или "связей", при которой система внезапно меняет свои свойства.

Примеры из жизни для школьников

Кофемашина

Вода проходит через молотый кофе. Если кофе слишком мелкий — вода не проходит, если слишком крупный — проходит слишком быстро.

Сито для муки

Мука просыпается через отверстия в сите. Если отверстия забились — мука не проходит, если их много — просыпается легко.

Лесной пожар

Огонь распространяется от дерева к дереву. Если деревья далеко — пожар не распространится, если близко — сгорит весь лес.

Основные понятия простыми словами

Перколяционный кластер

Группа связанных "дырок", через которые может протекать жидкость. Как мост из камней через реку — если камни далеко друг от друга, перейти не получится.

Порог перколяции (pc)

Критическая концентрация "дырок" или "связей". Как волшебное число: меньше — не течет, больше — течет. Для квадратной решетки pc ≈ 0.593.

Связность

Возможность перейти из одной точки в другую через "дырки". Как лабиринт: если есть непрерывный путь — выйдете, если нет — заблудитесь.

Размер корреляции

Максимальное расстояние, на котором есть связь между "дырками". Как дальность действия рации: если дальше — не слышно.

Домашние эксперименты

Эксперимент 1: "Сито из гальки"

  1. Возьмите банку с мелкими отверстиями в дне
  2. Насыпьте на дно камешки разного размера
  3. Медленно наливайте воду сверху
  4. Наблюдайте: при каком размере камешков вода начинает протекать?

Эксперимент 2: "Бумажный мост"

  1. Возьмите лист бумаги и сделайте в нем дырки дыроколом
  2. Подставьте под края стаканы, а посередине — пустой стакан
  3. Лейте воду на бумагу
  4. Сколько дырок нужно, чтобы вода попала в нижний стакан?

Где применяется теория перколяции?

В природе

  • Просачивание нефти через породы
  • Фильтрация воды в почве
  • Распространение лесных пожаров
  • Зарастание территории растениями

В технике

  • Создание фильтров для воды и воздуха
  • Разработка пористых материалов
  • Электронные схемы (проводящие чернила)
  • Катализаторы в химической промышленности

В обществе

  • Распространение слухов и информации
  • Эпидемии и распространение болезней
  • Транспортные потоки в городах
  • Работа интернета и социальных сетей

В науке

  • Изучение наноматериалов
  • Моделирование климата
  • Кристаллизация жидкостей
  • Фазовые переходы в физике

Простые математические модели

Модель решетки

Представьте шахматную доску, где каждая клетка может быть "дыркой" с вероятностью p. Вода течет через соседние "дырки".

Pбеск∝(p−pc)β P_\text{беск} \propto (p - p_c)^\beta

Вероятность бесконечного кластера растет как степень от разности (p - pc)

Критические показатели

Около порога перколяции многие величины ведут себя по степенному закону:

Средний размер кластера: ξ ∼ |p - pc|-ν

Проводимость: σ ∼ (p - pc)t

Интересные факты

Факт 1: Кофе и перколяция

Именно из-за перколяции в кофемашинах нужно правильно молоть кофе. Слишком мелкий — вода не пройдет, слишком крупный — кофе будет невкусным!

Факт 2: Интернет — это перколяция

Информация в интернете распространяется по принципу перколяции. Если достаточно много компьютеров соединены, информация дойдет до любого!

Факт 3: Пятна на ткани

Когда вы проливаете воду на ткань, она расплывается по принципу перколяции — ищет путь между волокнами ткани!

Факт 4: Молния — это перколяция

Молния ищет путь к земле через воздух по принципу перколяции. Она "пробует" разные пути, пока не найдет самый легкий!

Связь со школьными предметами

Ф

Физика

Фазовые переходы, электрическая проводимость, фильтрация

М

Математика

Теория вероятностей, теория графов, степенные законы

Х

Химия

Диффузия, пористые материалы, катализаторы

Углеродные нанотрубки, графен и полимерные композиты

Мир наноматериалов: невидимое, но очень важное

Графен — это действительно материал толщиной всего в один атом! Это двумерный слой атомов углерода, организованных в гексагональную решетку. Представьте себе лист бумаги, но в миллион раз тоньше и при этом в 100 раз прочнее стали. Графен обладает уникальной электропроводностью и теплопроводностью.

Углеродные нанотрубки — это цилиндрические структуры, которые можно представить как свернутый в трубку лист графена. Они имеют диаметр порядка нанометров (миллиардных долей метра), но их длина может быть в тысячи раз больше. УНТ также обладают исключительной прочностью и уникальными электронными свойствами.

Оба эти материала относятся к углеродным наноматериалам и открывают новые возможности в электронике, медицине, материаловедении и других областях.

Что такое нанометр?

1 нанометр = 0.000000001 метра! Это в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Нанотрубки имеют диаметр от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров.

Углерод — основа жизни

Тот же углерод, из которого состоим мы с вами, алмазы и графит в карандашах, может образовывать удивительные наноструктуры!

Нобелевская премия

За открытие графена Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

Углеродные нанотрубки: микроскопические "трубочки"

Что это такое?

Представьте себе лист графена (однослойный углерод), свернутый в трубочку. Диаметр — несколько нанометров, длина — в тысячи раз больше!

  • В 100 раз прочнее стали
  • Отличные проводники электричества
  • Очень легкие (плотность в 6 раз меньше стали)
  • Гибкие и эластичные

Как открыли?

В 1991 году японский ученый Сумио Иидзима изучал сажу под электронным микроскопом и обнаружил странные "трубочки". Так были открыты углеродные нанотрубки!

Интересный факт: Нанотрубки находили в древней дамасской стали, которая славилась своей прочностью. Древние мастера не знали о нанотехнологиях, но создавали материалы с наноструктурами!

Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки

Графен: "чудо-материал" толщиной в один атом

Структура

Шестиугольная решетка из атомов углерода, похожая на пчелиные соты

Прочность

В 200 раз прочнее стали! Самый прочный из известных материалов

Гибкость

Можно сгибать, растягивать, скручивать без повреждений

Простой эксперимент с графеном

Графен можно получить дома! Возьмите графитовый стержень от карандаша и скотч. Приклейте скотч к графиту и оторвите — на скотче останется тонкий слой графита. Повторите 10-20 раз, и вы получите графен! (Правда, не очень качественный, но принцип тот же).

Именно так Андрей Гейм и Константин Новосёлов впервые получили графен в 2004 году, используя скотч и кусочек графита!

Графен
Графен

Полимерные композиты на основе нанотрубок и графена

Что такое композит?

Композит — это материал, состоящий из двух или более компонентов. Представьте бетон: цемент + песок + щебень = прочный материал. Точно так же полимер + нанотрубки = суперпрочный композит!

Аналогия: Как арматура в бетоне делает его прочнее, так нанотрубки в пластике делают его прочнее, легче и проводящим.

Зачем добавлять нанотрубки в полимеры?

  • Прочность: +300% к прочности при добавлении всего 1% нанотрубок
  • Электропроводность: Пластик становится проводящим
  • Теплопроводность: Лучше отводит тепло
  • Легкость: Можно делать детали тоньше и легче
  • Долговечность: Меньше изнашиваются

Производство композитов

  1. Берут полимер (пластик, резину, эпоксидную смолу)
  2. Добавляют нанотрубки или графен (обычно 0.1-5% от массы)
  3. Тщательно перемешивают, чтобы нанотрубки равномерно распределились
  4. Формируют изделие (литье, прессование, 3D-печать)
  5. Получают материал с улучшенными свойствами!

Проблемы и решения

Главная проблема — нанотрубки слипаются (агломерируются). Решения:

  • Химическая модификация поверхности
  • Ультразвуковая обработка
  • Использование поверхностно-активных веществ
  • Специальные методы смешивания

Где применяются наноматериалы и композиты?

Транспорт и авиация

  • Легкие и прочные детали самолетов (Boeing, Airbus)
  • Кузова спортивных автомобилей (Ferrari, Lamborghini)
  • Шины с улучшенным сцеплением и износостойкостью
  • Топливные баки для космических ракет

Электроника

  • Гибкие экраны и сенсорные панели
  • Сверхбыстрые процессоры
  • Аккумуляторы с высокой емкостью
  • Проводящие чернила для печатных плат

Медицина

  • Искусственные мышцы и суставы
  • Целевая доставка лекарств к опухолям
  • Биосенсоры для диагностики
  • Имплантаты, совместимые с тканями организма

Спорт и отдых

  • Легкие и прочные велосипеды (в 2 раза легче стали)
  • Теннисные ракетки и клюшки для гольфа
  • Лыжи и сноуборды
  • Защитная экипировка (шлемы, бронежилеты)

Простые формулы

Правило смесей для композитов

Ec=VfEf+VmEm E_c = V_f E_f + V_m E_m

Ec — модуль упругости композита

Vf — доля наполнителя (нанотрубок)

Ef — модуль упругости наполнителя

Vm — доля матрицы (полимера)

Em — модуль упругости матрицы

Порог перколяции в композитах

σ=σ0(ϕ−ϕc)t \sigma = \sigma_0 (\phi - \phi_c)^t

σ — электропроводность композита

σ0 — константа

φ — концентрация нанотрубок

φc — порог перколяции

t — критический показатель (~1.5-2)

Проще говоря: Когда нанотрубок больше критического количества, они касаются друг друга и создают проводящую сеть!

Интересные факты о наноматериалах

Факт 1: Лист графена размером с футбольное поле

Если бы можно было сделать лист графена толщиной в один атом и размером с футбольное поле, он весил бы меньше 1 грамма, но выдержал бы вес слона!

Факт 2: Космический лифт

Углеродные нанотрубки — единственный материал, который теоретически достаточно прочен для создания "космического лифта" — троса от Земли до орбиты!

Факт 3: Нанокомпозит в древности

Римляне добавляли вулканический пепел в бетон 2000 лет назад, создавая нанокомпозиты! Их бетон до сих пор стоит, а современный разрушается за 50 лет.

Факт 4: Паутина сильнее нанотрубок?

Паутина прочнее стали, но углеродные нанотрубки в 10 раз прочнее паутины! Однако пауки делают свою паутину при комнатной температуре, а нанотрубки требуют 700-1100°C.

Будущее наноматериалов: что ждет нас завтра?

Ближайшее будущее (5-10 лет)

  • Самовосстанавливающиеся материалы (как кожа человека)
  • Одежда с подогревом и электроникой
  • Умные окна, меняющие прозрачность
  • Суперконденсаторы для мгновенной зарядки телефонов
  • Фильтры для очистки воды от любых загрязнений

Далекое будущее (20-50 лет)

  • Космический лифт на нанотрубках
  • Искусственные органы из нанокомпозитов
  • Нанороботы для лечения болезней изнутри
  • Строительство на других планетах
  • Квантовые компьютеры на графене

Хочешь стать нанотехнологом?

Изучай в школе:

ХимиюФизикуМатематикуИнформатику

Нанотехнологии — это междисциплинарная наука, где нужны знания из разных областей!

Нанопористые среды: микромир, где живут молекулы

Что такое нанопористые среды?

Нанопористые среды — это материалы с очень маленькими отверстиями (порами), размер которых измеряется в нанометрах (1 нм = 0,000001 мм). Для сравнения: толщина человеческого волоса — около 80 000 нм!

Наномир

1 нм = миллиардная часть метра. В таком масштабе проявляются новые физические явления.

Где встречаются?

  • Губчатые материалы
  • Активированный уголь
  • Некоторые горные породы

Аналогия

Представьте себе губку, но с отверстиями в миллионы раз меньше, чем у обычной кухонной губки.

Капиллярные эффекты: почему вода сама поднимается вверх?

Капиллярный эффект

Если опустить тонкую трубочку (капилляр) в воду, вода сама поднимется по ней. Чем тоньше трубочка, тем выше подъём!

Формула Жюрена

h=2γcos⁡θ(ρ−ρо)gr h = \frac{2\gamma \cos\theta}{(\rho-\rho_\text{о}) g r}

h — высота подъёма жидкости

γ — поверхностное натяжение

θ — краевой угол смачивания

r — радиус капилляра

ρ — плотность жидкости

ρo — плотность газовой фазы над жидкостью;

Чем меньше r, тем больше h!

Пример 1: Бумажное полотенце

Когда вы вытираете пролитый сок, бумага "втягивает" его благодаря капиллярным силам.

Пример 2: Фитиль свечи

Расплавленный воск поднимается по фитилю за счёт капиллярных сил, чтобы гореть.

Пример 3: Деревья

Вода поднимается от корней к листьям по капиллярам в стеблях растений.

Загадка: почему в одних случаях жидкость вытекает, а в других — нет?

Смачиваемость (гидрофильность)

Вода на стекле

θ < 90°

Если жидкость "любит" поверхность (как вода на чистом стекле), она растекается и может проникать в поры.

Примеры гидрофильных материалов:

  • Хлопковая ткань
  • Бумага
  • Некоторые виды пластика

Несмачиваемость (гидрофобность)

Вода на воске

θ > 90°

Если жидкость "не любит" поверхность (как вода на вощеной бумаге), она собирается в капли и не проникает в поры.

Примеры гидрофобных материалов:

  • Вощеная бумага
  • Листья лотоса
  • Тефлоновая сковорода

Простой эксперимент дома

Что нужно: два стакана с водой, лист обычной бумаги и лист вощеной бумаги.

  1. Капните воду на обычную бумагу — она впитается (гидрофильная поверхность).
  2. Капните воду на вощеную бумагу — вода останется каплей (гидрофобная поверхность).
  3. Попробуйте наклонить вощеную бумагу — капля скатится, как шарик!
Краевой угол смачивания от типа поверхности
Краевой угол смачивания от типа поверхности

Умные нанопористые системы для доставки лекарств

Как это работает?

Л

Представьте себе микроскопический шарик с множеством отверстий (пор). Внутрь этого шарика помещают лекарство. Когда шарик достигает нужного места в организме (например, опухоли), он "открывается" и выпускает лекарство.

Преимущество 1

Лекарство доставляется точно в цель

Преимущество 2

Меньше побочных эффектов

Преимущество 3

Лекарство высвобождается медленно

Преимущество 4

Защита лекарства от разрушения

Триггеры вытекания

Триггер — это "спусковой крючок", который заставляет нанопористую систему выпустить лекарство.

pH
Изменение кислотности

В опухолях среда более кислая. При изменении pH поры открываются.

T°
Изменение температуры

При нагревании (например, в воспалённой области) структура меняется.

Свет
Световое излучение

Под действием света определённой длины волны поры открываются.

Примеры в медицине

Лечение рака

Нанокапсулы доставляют химиотерапевтические препараты прямо в опухоль, не повреждая здоровые клетки.

Инсулиновые помпы

Нанопористые мембраны контролируют скорость выделения инсулина в кровь.

Антибиотики

Медленное высвобождение антибиотиков из нанопор обеспечивает длительное действие.

Интересные факты о нанопористых средах

Факт 1: Умные окна

Существуют окна с нанопористым покрытием, которые меняют прозрачность в зависимости от температуры или подачи электричества. Летом они становятся менее прозрачными, чтобы не пропускать тепло, а зимой — более прозрачными.

Факт 2: Лотосовый эффект

Листья лотоса покрыты нанопорами и восковыми выступами. Вода не может закрепиться на поверхности и скатывается, унося с собой грязь. Это явление называется "супергидрофобность" и используется для создания самоочищающихся поверхностей.

Факт 3: Хранение водорода

Нанопористые материалы могут "впитывать" водород как губка. Это перспективное направление для создания безопасных ёмкостей для водородного топлива в автомобилях будущего.

Факт 4: Древние технологии

Ещё в Древнем Риме использовали пористые материалы для фильтрации воды. Современные нанопористые фильтры работают по тому же принципу, но задерживают даже вирусы и отдельные ионы!

Ключевые термины простыми словами

Нанопора

Очень маленькое отверстие размером от 1 до 100 нанометров. Для сравнения: в 1 мм помещается миллион нанопор!

Капиллярный эффект

Способность жидкости подниматься вверх по узким каналам (капиллярам) против силы тяжести. Работает как "природный насос".

Гидрофильность

"Любовь к воде". Материалы, которые легко смачиваются водой (например, хлопок, бумага).

Гидрофобность

"Боязнь воды". Материалы, которые отталкивают воду (например, вощеная бумага, листья лотоса).

Краевой угол (θ)

Угол между поверхностью материала и краем капли. Если θ < 90° — материал гидрофильный, если θ > 90° — гидрофобный.

Контролируемое высвобождение

Медленное и управляемое выделение вещества (например, лекарства) из нанопористой системы в нужное время и в нужном месте.