Педагогические науки/2. Проблемы подготовки специалистов

Д.п.н. Майков Э. В., Родиошкин М. Ю.

Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева, Россия

Обоснование необходимости подготовки студентов технических вузов по наноматериалам и нанотехнологиям

В настоящее время к первостепенным проблемам модернизации экономики и обороноспособности государства относят разработку и создание новых конструкционных (композиционных, наноструктурных) материалов и дальнейшее изготовление из них деталей, конструкций механизмов и машин с одновременным созданием на их базе нанотехнологий.

Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм = 10^–9 м). Сама десятичная приставка «нано-» происходит от греческого слова нбнпу – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта.

Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Данная технология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией.

Наноструктуры, построенные с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно и используется в различных областях техники. Примерами наноразмерных структур могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов. Впечатляющие примеры связаны с биологией, где живая природа демонстрирует нам наноструктуры на уровне клеточного ядра. В этом смысле собственно нанотехнология, как научное направление, не является чем-то новым. Качественная характеристика нанотехнологии заключается в практическом использовании нового уровня знаний о физико-химических свойствах материи. В этом одновременно и исключительность нанотехнологии – новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, а также изменений в экологической, социальной и военной сферах.

Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является также способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие изначально заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.

Использование перечисленных выше свойств в практических приложениях и составляет суть нанотехнологии. На ее основе уже реализованы образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно- и износостойких материалов и покрытий, нанопористых мембран для систем тонкой очистки жидкостей, сверхскоростных приборов наноэлектроники.

Таким образом, нанотехнологии - это, во-первых, технологии атомарного конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организации научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.

Студентам технических вузов после изучения цикла общетехнических дисциплин придется изучать ряд специальных дисциплин конструкторского и технологического цикла. Будущим инженерам при конструкторской работе в первую очередь придется выбирать материал деталей в соответствии с эксплуатационными требованиями.

Выбор материалов в инженерной практике машиностроения осуществляется исходя из эксплуатационных условий проектируемой детали механизма и машины. Но выбранный материал никогда полностью не отвечает предъявляемым эксплуатационным требованиям. Поэтому перед инженерами остро встал вопрос выбора конструкционных материалов полностью соответствующих эксплуатационным требованиям. И если таких материалов нет в современном машиностроении, то актуально становится создание нового класса материалов – материалы искусственно созданные человеком, к которым стали относить композиционные материалы и наноматериалы, недостаточно рассмотренные в процессе подготовки инженеров.

Следующим этап инженерной деятельности – выбор технологического процесса изготовления спроектированной детали с обеспечением такой микроструктуры материала, которая бы не снижала эксплуатационные свойства детали при их работе в механизме и машине. При длительной эксплуатации механизма или машины задача инженера – обеспечить сохранение или упрочнение микроструктуры и свойств материала детали.

Одной из методических особенностей изучения будущими инженерами материалов, искусственно созданных человеком, как композиционных, так и наноматериалов является понимание идеи использования отдельных сверхмелких частиц для создания материалов. Расположение атомов, молекул и их групп при создании как композиционных, так и наноматериалов называется эпитаксией. Создание различных эпитаксий лежит в основе получения как композиционных, так и наноматериалов, отличающихся только размерами различных компонентов (фракталы, кластеры, молекулы – для арматур композиционных материалов и атомы – для наноматериалов).

Композиционные материалы независимо от их происхождения являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых пластичен, а другой обладает высокой прочностью и жесткостью. При этом композиции приобретают свойства, которых не имеют отдельные составляющие. Многие современные конструкционные материалы представляют собой композиции, например, железобетонные конструкции, автомобильные шины, различные многокомпонентные сплавы и т.п. Совместная работа разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.

Перспективы искусственно созданных материалов требуют оперативного внедрения в образовательные программы дисциплин, необходимых для подготовки специалистов, способных эффективно и на современном уровне решать фундаментальные и прикладные задачи в области как композиционных материалов, так и нанокомпозитов и нанотехнологий.