Партнеры
Вход в систему
Яндекс.Метрика
on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 32 гостя.

Механика материалов. Нанотехнологии.

 Сейчас модно говорить и писать о нанотехнологиях. Объекты изучения с пространственным наномасштабом имеются во многих науках − в физике, химии, биологии и медицине. В традиционных задачах механики этот масштаб очень мал, если не сказать пренебрежимо мал, а в ряде задач физики, химии, биологии наномасштаб, наоборот, весьма велик.


 рисунок с сайта nanonauka.ucoz.ru
 В подходах к изучению частиц и процессов наномасштаба у физиков и механиков есть существенное различие.
Физики хотят изучать соответствующие процессы, исходя из «основных» принципов − атомно-молекулярной структуры вещества и законов взаимодействия между ними (метод молекулярной динамики).
Механики же продолжают рассматривать поведение материалов с наноструктурой как объект механики сплошной среды − науки, которая изучает сплошные среды (твердые, жидкие и газообразные), исходя из специфических для них определяющих соотношений, т. е. связей между деформационными характеристиками и механическими напряжениями.
 Эти связи всегда заимствуются из соответствующих экспериментов или специально развиваемых теорий. Простейший пример определяющего соотношения − знаменитый закон Гука в теории упругости. Впрочем, этого закона недостаточно, поскольку он относится только к статическим деформациям и не учитывает сил, которые возникают в результате изменения деформаций со временем, например в результате изменения длины пружины. Итак, механики рассматривают наноматериалы как сплошные среды, но с новыми, специфическими для них определяющими соотношениями.
 Эти два подхода можно продемонстрировать на примере образования в материале дефектов − наномасштабных трещин − явления, очень важного при разработке теории прочности материалов, одного из важнейших разделов механики твердых деформируемых сред.

 Физикам пока удалось решить следующую задачу − сформулирую ее для простоты достаточно приближенно. Допустим, две противоположные грани кубика из твердого материала начинают раздвигаться, сохраняя свою форму. В одной из боковых граней кубика в направлении, перпендикулярном направлению растяжения, сделан надрез − зачаток или зародыш трещины. Кубик заполнен достаточно большим числом взаимодействующих атомов вещества. Нужно определить минимальную силу растяжения, при которой конец трещины стронется с места − трещина начнет расти. Максимальное число атомов, при котором авторам удалось провести расчеты на современных суперкомпьютерах, равнялось 32 миллионам. С учетом того, что расстояние между атомами в кристалле находится обычно в диапазоне 1,5 − 3 ангстрем (один ангстрем равен одной десятимиллинной доле миллиметра), размер грани кубика составлял всего-навсего около 5 × 10−5 − 10−4 мм. Например, для кристалла поваренной соли, решетка которого имеет кубическую форму с расстоянием 2,8 ангстрем между соседними атомами, получим длину ребра, равную 8,9 × 10−5 мм. При этом развитие трещины удалось рассчитать лишь на первоначальной стадии, когда трещина еще очень мала по сравнению с размером кубика.
 В связи с решением этой задачи были предприняты исследования возможностей применения методов механики сплошных сред либо непосредственно, либо в сочетании с методами типа молекулярной динамики для расчета деформирования и разрушения наноструктурных объектов. Моделирование проводилось для слоистых элементов, а также для элементов в форме нанотрубок. Оказалось, что коэффициенты упругости (модули упругости) пакета, содержащего 10 − 12 атомных слоев, рассчитанные методом молекулярной динамики, уже практически совпадают с модулями упругости макроскопического объема того же материала.
 Удалось разработать подход к моделированию и расчету деформирования наноструктурных объектов, в частности нанотрубок и нанослоев. Этот подход основан на замене (моделировании) исходной атомной систе-мы, образующей рассматриваемый наноструктурный объект, конструкцией из стержней (стержневой системой). Коэффициенты упругости стержней определяются из условия совпадения энергий деформации атомной модели и ее стержневого аналога. Указанный подход применим, поскольку возможно построение такой стержневой системы, эквивалентной по энергии деформации исходной атомной системе. Преимущество подобных моделей в том, что они позволяют при сравнительно маломощных вычислительных средствах проводить расчеты для весьма сложных систем с элементами разных масштабов. В частности, можно выполнить моделирование поведения материала, наполненного нанотрубками.
 Механика деформируемого твердого тела и механика материалов все в большей мере становятся фундаментальной основой проектирования материалов с повышенными характеристиками деформирования, прочности и сопротивления развитию трещин. Модели механики позволяют понять причины влияния структуры материала на процессы его деформирования и разрушения. Поэтому они позволяют рассчитать зависимости свойств материала от структуры и механических свойств элементов структуры. Появляется возможность создавать материалы с желаемыми свойствами, подбирая нужные характеристики их структуры. А переход к нанотехнологиям открывает новые возможности для создания материалов с заданной структурой и приводит к необычным эффектам в их механическом поведении.
 До сих пор речь шла о возможностях применения моделей и методов механики сплошных сред для моделирования механического поведения наноструктурных объектов. Однако взаимосвязи механики сплошных сред с наноматериалами и нанотехнологиями этим не ограничиваются. Имеются экспериментальные (а в некоторых случаях и теоретические) данные, свидетельствующие о влиянии механических воздействий на электромагнитные и оптические свойства наноструктурных и (или) наномасштабных объектов. Например, показано, что механические напряжения растяжения или сжатия существенно влияют на электропроводимость в полупроводниковых приборах нано- и микромасштаба, в частности − на характеристики работы полевого транзистора. Эти эффекты требуют исследования и разработки соответствующих физико-механических моделей, что позволит прогнозировать работу тех или иных изделий наноэлектроники. Использование механических воздействий весьма перспективно для некоторых областей техники.
 Подчеркнем, что изделия нано- и микроэлектроники представляют собой, с точки зрения механики, весьма сложные конструкции. Поэтому используемые для расчетов модели также сложны.
 В заключение отметим, что развитие нанотехнологий приводит к необходимости экспериментального контроля не только физико-химических, но и механических свойств наноизделий. Возникла новая область механики, связанная с разработкой и моделированием схем, методов и устройств для проведения испытаний по определению деформационных, прочностных свойств и сопротивления разрушению наноструктурных и наномасштабных объектов. Ввиду сложности осуществления самих испытаний, стало актуальным новое направление − компьютерное моделирование механических испытаний (виртуальные механические испытания). Заметим, что этот метод давно используется почти во всех традиционных областях техники. Так, прежде чем строить и испытывать самолет, что обходится очень дорого, проводят компьютерное моделирование его испытаний.
 Можно утверждать, что механика займет достойное место в ряду фундаментальных наук, которые обеспечат прогресс в развитии общества, основанный на использовании нанотехнологий.

 Изображения выше, пред- и пост- тестовым предварительным деформациям микрообразцов. Первоначальная высота и диаметров ~ 30 мкм и ~ 15 мкм, соответственно. Микрообразцы были изготовлены из одного зерна поликристаллического образца с помощью сфокусированного ионного пучка. Тестирование проводилось с нано-индентора с помощью плоского удара. Различия деформирования, как считается, связан с ориентацией зависимости. Shear неустойчивости (белая стрелка на изображении непосредственно слева) выделен после теста для одного из предварительных испытанных образцов, а также находит свое отражение (красная стрелка в данных участке выше), в напряженно-деформированного ответ для этого теста.
 Фото с сайта lanl.gov

Что представляет собой графен?

Смотрите еще