X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

УДК.54.084

ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Кайибанда Денис Венанович

Проблема использования автоматизации в современных исследованиях наноматериалов является одной из актуальнейших и важнейших в области науки о наноматериалах и нанотехнологиях в целом. Исследовать частицы и структуры, размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм представляет особую сложность, учитывая чувствительность любых приборов, используемых в данной области и сложность получения наноматериалов и наноструктур. Управлять нанообъектами без специального оборудования не представляется возможным. Уровень автоматизации в отрасли нанотехнологий высок [1].

Существуют методы, позволяющие исследовать структуру, изучить и описать свойства наноматериала, синтезированного в лаборатории ученым-химиком или инженером, случайно найденного в результате какого-либо эксперимента, опыта или изучения отдельного, не имеющего к данному предмету отношения. Большинство из этих современных методов дают недостаточную картину представлений о наноматериалах, соответственно, и о науке нанотехнологий в целом [2].

Нанотехнология – это новая отрасль микроэлектроники, занимающаяся созданием микроскопических объектов, область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Это современная наука о частицах, имеющих микроскопические размеры (наноразмеры, то есть размеры от 1 до 100 нм), обладающих абсолютно новым характером свойств. Эти свойства могут быть применены во многих других разделах науки, возможно помогут решить самые острые и важные проблемы для человека. Наноинженерия способна «подобрать ключик» к таким тупиковым ветвям исследований, как лечение тяжелых заболеваний, облегчить и сделать принципиально новыми, а самое главное легкими процессы в технике и промышленности по сей день занимающие долгие часы, дни, а порой и месяцы. необходимы новые технологии для решения многих технических задач и проблем безопасности и жизнедеятельности [3,4]. Использование нанотехнологий, и их внедрение в процессы автоматизации, и наоборот, позволит компьютизировать мир на принципиально новом уровне, ведь в двадцать первом веке лучший друг человека - не собака, а его персональный компьютер, телефон или же любое другое техническое устройство, будь то мультиварка у хозяйки на ее кухне или миниатюрная камера при проведении лапароскопии в операционной у хирурга.

Сегодня, методы диагностики и исследования наноструктур имеют свои подразделы, такие как зондовая микроскопия, позволяющие получить представление о структуре с помощью использования зонда. Это сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая, люминисцентная микроскопия, а также дифракционные методы (рентгеновские, электронные, нейтронные).

К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Наряду с огромными плюсами, которые имеют данные методы, есть несколько неоспоримых недостатков. К таковым относятся, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения (нет возможности исследовать жидкостные объекты), отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.

Современная наука должна придумать способы усовершенствания уже имеющихся методов или создать принципиально новый, основанный на использовании «умного» прибора, способного распознать структуры, входящие в состав наноматериала и подобрать оптимальный метод работы с материалом. Такой принципиально новый процесс должен иметь высокий уровень автоматизации, который позволит в условиях лаборатории ускорить процессы научных исследований, уберет необходимость в привычных, но долгих и тяжких расчетах и действиях. Новый метод или прибор должен изучив загруженный образец отобразить не только структуру, но и информацию о данном веществе, его физические параметры, пределы, химические свойства. Представьте теперь насколько подобный прибор сможет облегчить изучение материалов, в буквальном смысле продвинет науку вперед, так как у нас отпадет масса ненужных действий по исследованию того или иного обьекта.

Проблема автоматизации исследования наноструктуры заключается еще и в том факте, что она достаточно дорогостоящая. Приборы, атомно-силовые микроскопы, зонды, а также современные компьютерные механизмы, позволяющие обрабатывать быстро и качественно информацию, поддерживать работу специальных прикладных программ имеют высокую стоимость. Не у каждого университета финансирование позволяет оснастить кафедры приборами, имеющими такую себестоимость, а значит наука будет стоять на месте. Поэтому новое изобретение должно не просто автоматизировать процессы, но и сделать это по максимально низкой цене. При этом иметь мощную базу данных, интеграцию ее с хорошо налаженными средами компьютерной визуализации.

При создании новых методов автоматизации в области нанотехнологий или конструировании новых приборов необходимо обратить внимание на некоторые разработки, которые уже находятся в процессе разработки и введении в эксплуатацию.

Интересным прибором является разработка баро-электро-термо-акустического (БЭТА) анализатора, не имеющей мировых аналогов, и превосходящий по своим функциональным возможностям все существующие сегодня установки синхронного термического анализа (СТА). Данная разработка была подана Донским государственным техническим университетом на конкурс 2012 года № 2012-220-03-247, в которой под руководством д.ф.-м.н. Заворотнева Ю.Д. из Донецкого физико-технического института НАН Украины, предлагалось создать баро-электро-термо-акустический (БЭТА) анализатор и лабораторию мирового уровня на базе ДГТУ [5].

Рис. 1 – Лабораторный образей бэта-анализатора

1 - файл-сервер (ФС); 2- гравиакустико-электрометрический модуль (ГАЭМ); 3-предметный стол (ПС); 4- измеритель иммитанса Е7-20; 5- модифицированный термокриостат-электропечь (ТКСЭ); 6-измеритель иммитанса Е7-20; 7- модули управления МТКСЭ, компрессором и форвакуумным насосом (МКУБ); 8- ИК фурье спектрометр «ФТ-801»; 9- 1-й монитор ФС; 10 -цветной принтер; 11-мастер-модуль М902Е МФК “TREI-5В-05”; 12- монитор рабочей станции (РС); 13- 2-й монитор ФС; 14- рабочая станция (РС); 15-реверсивный контур тепла/холода (РКТХ); 16- форвакуумный насос; 17- компрессор; 18-рабочее место оператора с клавиатурой и мышью.

Несмотря на то, что предложенный проект не был поддержан Российским научным фондом, создание и применение такого прибора необходимо потому, что он позволяет синхронно в диапазоне эксплуатационных температур и давлений (от минус 60 до плюс 60 градусов Цельсия, и от 0,01 до 1 мегаПаскалям) получить 38-ми параметрическую вектор-функцию жизненного цикла материала - F (Р, Т,m, ℓ, ρ, λ, a, C_Р, Н, К, Е, β, ν, σ, ε, μ, А, dNa/dt, η).

Применение ВЭТА-анализатора позволит облегчить получение и обработку данных о наноматериалах, сделают их более точными и достоверными, с необходимым программным сервисом [3,5].

Таким образом, регистрация и обработка информации о физико-химических свойствах веществ и материалов, усовершенствование методов получения данных и программного обеспечения, позволит вывести на совершенно новый уровень автоматизацию в области изучения материалов в наноразмерной среде. Станет возможным расширить познания человека о том, из чего состоит мир, а также найти применение недавно синтезированным веществам и облегчить их производство.

Список использованной литературы:

Булакина, М.Б. Обзор зарубежного опыта по подготовке кадров в области нанотехнологий: Методическое пособие для преподавателей и спирантов/М.Б.Булакина, А.И.Денисюк, А.О.Кривошеев.-СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2009.-93 с.

Абдрахманова А.Х. О проблемах в формировании базовых знаний по естественно-научным дисциплинам будущих специалистов в области нанотехнологий/Абдрахманова А.Х., Миракова Т.Ю.//Вестник Казан. технол. ун-та.-2011.-№12.-С.227.

Белозеров В.В. Синергетика безопасной жизнедеятельности/монография - Ростов н/Д: Изд. центр ЮФУ, 2015. -420с.

Белозеров В.В., Борков П.В., Кобелева С.А., Олейников С. Н., Насыров Р.Р., Даминев Р.Р. Новые технологии и материалы в производстве и строительстве: вопросы проектирования, разработки и внедрения/ISBN 978-5-91940-493-4.-М.: Издательство Перо, 2012. -148 с.

Заворотнев Ю.Д. Разработка БЭТА метода испытаний и диагностики жидких, вязких и твердых материалов, в т.ч. с огнезащитными покрытиями (проект 2012-220-03-247)//Электроника и электротехника. -2016.-№ 2.-С.96-118 .

Код для цитирования: Скопировать